МИНОБРНАУКИ РОССИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Алтайский государственный университет»

Проектирование программно-аппаратных комплексов

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра вычислительной техники и электроники
Направление подготовки09.04.01. Информатика и вычислительная техника
ПрофильНейроинформационные технологии и робототехнические системы
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость8 ЗЕТ
Учебный план09_04_01_НТиРС-1-2019
Часов по учебному плану 288
в том числе:
аудиторные занятия 84
самостоятельная работа 204
Виды контроля по семестрам
зачеты: 1
диф. зачеты: 2

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 1 (1) 1 (2) Итого
Недель 19 18
Вид занятий УПРПДУПРПДУПРПД
Лекции 6 6 6 6 12 12
Лабораторные 36 36 36 36 72 72
Сам. работа 102 102 102 102 204 204
Итого 144 144 144 144 288 288

Программу составил(и):
доцент, Калачев А.В.

Рецензент(ы):
к.ф.-м.н., доцент, Рудер Д.Д.

Рабочая программа дисциплины
Проектирование программно-аппаратных комплексов

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 09.04.01 Информатика и вычислительная техника (уровень магистратуры) (приказ Минобрнауки России от 19.09.2017г. №918)

составлена на основании учебного плана:
09.04.01 Информатика и вычислительная техника
утвержденного учёным советом вуза от 25.06.2019 протокол № 9.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра вычислительной техники и электроники

Протокол от 26.06.2019 г. № 69/18-19
Срок действия программы: 2019-2020 уч. г.

Заведующий кафедрой
д. т. н., Седалищев Виктор Николаевич, профессор, зав. кафедрой "Вычислительной техники и электроники"


Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2019-2020 учебном году на заседании кафедры

Кафедра вычислительной техники и электроники

Протокол от 26.06.2019 г. № 69/18-19
Заведующий кафедрой д. т. н., Седалищев Виктор Николаевич, профессор, зав. кафедрой "Вычислительной техники и электроники"


1. Цели освоения дисциплины

1.1.Цель изучения дисциплины – формирование у магистра теоретических знаний и практических навыков по:
а) особенностям реализации алгоритмов ЦОС на различных аппаратных платформах.
б) генерации гармонических сигналов и сдвигу спектра сигналов.
в) цифровой фильтрации сигналов.
г) интерполяции и децимации сигналов.
д) комплексному применению алгоритмов ЦОС.
е) быстрому преобразованию Фурье.
ж) современным системам передачи информации по аналоговым и цифровым каналам связи.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ПК-4 Способен проектировать сложные пользовательские интерфейсы;
ПК-5 Способен осуществлять разработку операционных систем;
ПК-7 Способен организовывать разработки системного программного обеспечения;
ПК-8 Способен управлять программно-техническими, технологическими и человеческими ресурсами;
ПК-9 Способен осуществлять руководство разработкой комплексных проектов на всех стадиях и этапах выполнения работ;
ПК-10 Способен осуществлять экспертный анализ эргономических характеристик программных продуктов и/или аппаратных средств;
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.- основные современные тенденции развития микропроцессоров цифровой обработки сигналов;
- основные алгоритмы цифровой обработки сигналов;
- методы реализации алгоритмов ЦОС на цифровых сигнальных процессорах;
- физические и математические основы преобразования сигналов при цифровой обработке и связанных с ними искажений и погрешностей;
- алгоритмы цифровой фильтрации и спектрально-корреляционного анализа сигналов;
- методы синтеза цифровых фильтров и оценки точности ЦОС;
- методы многоскоростной и многоканальной обработки сигналов;
- общие принципы и средства реализации ЦОС;
- методы и алгоритмы адаптивной обработки сигналов.
3.2.Уметь:
3.2.1.- выбирать и реализовывать алгоритмы ЦОС для решения конкретных задач различных предметных областей под конкретную архитектуру процессора;
- разрабатывать устройства ЦОС различные типов;
- обоснованно оценить необходимые параметры дискретизации и квантования;
- выбрать наиболее эффективный алгоритм обработки;
- выполнить синтез и моделирование цифрового фильтра на ЭВМ;
- определить необходимую разрядность процессора ЦОС исходя из требуемой точности обработки;
- промоделировать алгоритм обработки на ЭВМ;
- реализовать ЦОС на современной элементной базе с использованием средств автоматизации проектирования аппаратного и программного обеспечения.
- обоснованно оценить необходимые параметры дискретизации и квантования;
- выбрать наиболее эффективный алгоритм обработки;
- выполнить синтез и моделирование цифрового фильтра на ЭВМ;
- определить необходимую разрядность процессора ЦОС исходя из требуемой точности обработки.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.- ставить задачи и выбирать инструментальные средства при работе с устройствами ЦОС;
- алгоритмами обработки на ЭВМ для реализации ЦОС на современной элементной базе с использованием средств автоматизации проектирования аппаратного и программного обеспечения.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Вводная часть
1.1. Общие цели ЦОС. Области применения ЦОС. Особенности реализации алгоритмов ЦОС на различных аппаратных платформах. Лекции 1 2 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
1.2. Особенности языка программирования «Си» для процессоров цифровой обработки сигналов Лабораторные 1 4 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
1.3. Основные тенденции развития микропроцессоров цифровой обработки сигналов за последние 10 лет Сам. работа 1 26 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
Раздел 2. Генерация гармонических сигналов. Сдвиг спектра сигналов
2.1. Теорема Котельникова, понятия о квантовании и частоте дискретизации сигнала. Понятие гармонического сигнала. Частота и вид спектра гармонического сигнала. Алгоритмы генерации реального и комплексного гармонического сигнала. Программная реализация алгоритма генерации гармонического сигнала. Умножение/деление комплексных чисел. Алгоритм сдвига спектра сигнала. Суть алгоритма сдвига спектра (умножение/деление на комплексный гармонический сигнал требуемой частоты). Поведение спектра сигнала при сдвиге. Программная реализация алгоритма сдвига спектра сигнала. Лекции 1 2 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
2.2. Цифровая фильтрация. Лабораторные 1 6 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
2.3. Аналитический сигнал Лабораторные 1 6 Л2.1, Л2.2
2.4. Алгоритмы сдвига спектра сигнала. Поведение амплитудного и фазового дискретного спектра сигнала при сдвиге Сам. работа 1 28 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
Раздел 3. Цифровая фильтрация сигналов.
3.1. Понятие цифровой фильтрации сигналов. Области применения цифровой фильтрации сигналов. Виды цифровых фильтров. Полосовые и диапазонные фильтры. Фильтры КИХ и БИХ. Понятие окна фильтра. Алгоритм КИХ-фильтра. Понятие линии задержки. Свертка двух векторов. Программная реализация простейшего КИХ-фильтра. Недостатки подобной реализации. Линия задержки на основе циклического буфера («очереди»). Программная реализация КИХ-фильтра на основе циклического буфера. Расчет вектора коэффициентов. Лекции 1 2 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
3.2. Реализация алгоритма фильтрации сигналов на основе КИХ-фильтра. Лабораторные 1 12 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
3.3. Цифровые фильтры. Алгоритмы БИХ-фильтров. Сам. работа 1 24 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
Раздел 4. Интерполяция и децимация сигналов.
4.1. Понятие интерполяции сигнала. Области применения интерполяции сигналов. Повышение и понижение частоты дискретизации сигнала с помощью интерполяции. Интерполяция сигналов по методу Лагранжа. Количество точек интерполяции. Расчет коэффициентов многочлена Лагранжа. Достоинства и недостатки интерполяции сигналов методом Лагранжа. Условия применимости метода Лагранжа (местонахождение спектра сигнала в допустимом диапазоне). Алгоритм интерполяции с кратным соотношением частот дискретизации исходного и результирующего сигналов. Предварительный расчет коэффициентов Лагранжа. Алгоритм интерполяции с некратным соотношением частот дискретизации исходного и результирующего сигналов. Расчет коэффициентов Лагранжа «на лету». Методы ускорения расчета коэффициентов Лагранжа. «Табличный метод» - выигрыш в скорости за счет качества. Эффекты, возникающие впоследствии интерполяции. Методы устранения негативных эффектов интерполяции (дополнительная фильтрация сигнала). Понятие децимации сигналов. Эффекты, возникающие впосл Лекции 2 2 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
4.2. Построение программной модели модулятора фазоманипулированного сигнала. Лабораторные 1 8 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
4.3. Построение программной модели модулятора частотно-манипулированного сигнала. Лабораторные 2 28 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
4.4. Алгоритм интерполяции. Эффекты, возникающие впоследствии интерполяции Сам. работа 1 24 ПК-4 Л2.1, Л2.2
Раздел 5. Комплексное применение алгоритмов ЦОС.
5.1. Области практического применения изученных алгоритмов ЦОС в комплексе. Мультиплексор и демультиплексор реальных сигналов с полосой СТК (стандартного телефонного канала). Алгоритм мультиплексирования нескольких сигналов с частотным разделением каналов: сдвиг основного спектра каждого сигнала на 0 (на низкой частоте), фильтрация зеркального спектра (на низкой частоте), повышение частоты дискретизации каждого сигнала, сдвиг спектра каждого сигнала в нужную частотную позицию (на высокой частоте), итоговое суммирование сигналов с нормализацией амплитуды. Алгоритм демультиплексирования сигналов из группового сигнала с частотным разделением каналов: сдвиг спектра нужного сигнала на 0 (на высокой частоте), фильтрация ненужной части группового спектра (на высокой частоте), децимация сигнала, сдвиг спектра сигнала с 0 в слышимую область (на низкой частоте), Лекции 2 2 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
5.2. Алгоритмы мультиплексирования сигналов с временным, кодовым и частотным разделением каналов Сам. работа 2 48 ПК-4, ПК-5
Раздел 6. Быстрое преобразование Фурье.
6.1. Преобразование сигнала из временной в частотную область. Преобразование Фурье. Области применения преобразования Фурье. Спектральное отображение сигналов, фильтрация составляющих подканалов. Алгоритм «быстрого» преобразования Фурье. Размерность БПФ, предварительная перестановка отсчетов, операция «бабочка». Понятие «окна» БПФ. Программная реализация алгоритма быстрого преобразования Фурье. Лекции 2 2 ПК-4, ПК-5
6.2. Реализация алгоритмов мультиплексирования и Лабораторные 2 4 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
6.3. Построение программной модели демодулятора частотно-манипулированного сигнала с базой ~1 на основе частотного детектора Лабораторные 2 4 ПК-4, ПК-5 Л2.1, Л2.2
6.4. Основные алгоритмы и области применения преобразования Фурье Сам. работа 2 54 Л2.1, Л2.2
Раздел 7. Аттестация

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
не требуется
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
Основные тенденции развития микропроцессоров цифровой обработки сигналов за последние 10 лет.
Алгоритмы сдвига спектра сигнала. Поведение амплитудного и фазового дискретного спектра сигнала при сдвиге
Цифровые фильтры. Алгоритмы БИХ-фильтров.
Алгоритм интерполяции. Эффекты, возникающие впоследствии интерполяции.
Алгоритмы мультиплексирования сигналов с временным, кодовым и частотным разделением каналов.
Основные алгоритмы и области применения преобразования Фурье.
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации
в приложении

6. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 В.П. Федосов, А.К. Нестеренко Цифровая обработка сигналов в LabVIEW: учебное пособие М.: ДМК Пресс // ЭБС "Лань", 2009 e.lanbook.com
Л2.2 А.Я. Суранов Моделирование беспроводных систем передачи сигналов и данных на LabVIEW: Учебное пособие АлтГУ, 2014 elibrary.asu.ru
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 1. http://www.intuit.ru/department/hardware/mcoreproc/
Э2 2. www.gpntb.ru/ Государственная публичная научно-техническая библиотека.
Э3 3. www.nlr.ru/ Российская национальная библиотека.
Э4 4. www.nns.ru/ Национальная электронная библиотека.
Э5 5. www.rsl.ru/ Российская государственная библиотека.
Э6 6. www.microinform.ru/ Учебный центр компьютерных технологий «Микроинформ».
6.3. Перечень программного обеспечения
Microsoft Windows
Microsoft Office
7-Zip
AcrobatReader
Visual Studio
Условия использования: https://code.visualstudio.com/license
6.4. Перечень информационных справочных систем
не требуется

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
Помещение для самостоятельной работы помещение для самостоятельной работы обучающихся Компьютеры, ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», доступом в электронную информационно-образовательную среду АлтГУ
Учебная аудитория для проведения занятий лекционного типа, занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических), групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации, курсового проектирования (выполнения курсовых работ), проведения практик Стандартное оборудование (учебная мебель для обучающихся, рабочее место преподавателя, доска)
208К сктб "радиотехника" - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Стол лабораторный – 3 шт.; компьютеры: марка Raspberry модель B 1Gb - 2 единицы; андроидный робот BIOLOID Premium Robot Kit; демонстрационная панель 24" Acer; дрель Makita DP 4010; дрель аккумуляторная Makita; компьютер Кламас 15-4460; мультиметр Fluke-17B; набор MINDSTORMS; ноутбук ASUS; ноутбук Lenovo-2шт.; осциллограф GDS-73354; осциллограф DPO2004B; планшет Apple iPad; планшет Huawei MediaPad; принтер для печати трехмерных объектов; станок токарный с ЧПУ; станок фрезерный Корвет-413; стол поворотный ф 100мм К-413; телевизор LED 47"LG47 -2шт.; тиски поворотные; тиски угловые.
001вК склад экспериментальной мастерской - помещение для хранения и профилактического обслуживания учебного оборудования Акустический прибор 01021; виброизмеритель 00032; вольтметр Q1202 Э-500; вольтметр универсальный В7-34А; камера ВФУ -1; компьютер Турбо 86М; масспектрометр МРС -1; осциллограф ЕО -213- 2 ед.; осциллограф С1-91; осциллограф С7-19; программатор С-815; самописец 02060 – 2 ед.; стабилизатор 3218; терц-октавный фильтр 01023; шкаф вытяжной; шумомер 00026; анализатор АС-817; блок 23 Г-51; блок питания "Статрон" – 2 ед.; блок питания Ф 5075; вакуумный агрегат; весы; вольтметр VM -70; вольтметр В7-15; вольтметр В7-16; вольтметр ВУ-15; генератор Г-5-6А; генератор Г4-76А; генератор Г4-79; генератор Г5-48; датчик колебаний КВ -11/01; датчик колебаний КР -45/01; делитель Ф5093; измеритель ИМП -2; измеритель параметров Л2-12; интерферометр ИТ 51-30; источник "Агат" – 3 ед.; источник питания; источник питания 3222; источник питания ЭСВ -4; лабораторная установка для настройки газовых лазеров; лазер ЛГИ -21; М-кальк-р МК-44; М-калькул-р "Электроника"; магазин сопротивления Р4075; магазин сопротивления Р4077; микроскоп МБС -9; модулятор МДЕ; монохроматор СДМС -97; мост переменного тока Р5066; набор цветных стекол; насос вакумный; насос вакуумный ВН-01; осциллограф С1-31; осциллограф С1-67; осциллограф С1-70; осциллограф С1-81; осциллоскоп ЕО -174В – 2 ед.; пентакта L-100; пирометр "Промень"; пистонфон 05001; преобразователь В9-1; прибор УЗДН -2Т; скамья оптическая СО 1м; спектограф ДФС -452; спектограф ИСП -51; стабилизатор 1202; стабилизатор 3217 – 4 ед.; стабилизатор 3218; стабилизатор 3222 – 3 ед.; станок токарный ТВ-4; усилитель мощности ЛВ -103 – 4 ед.; усилитель У5-9; центрифуга ВЛ-15; частотомер Ч3-54А; шкаф металлический; эл.двигатель; электродинамический калибратор 11032

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

в приложении