| Закреплена за кафедрой | Кафедра радиофизики и теоретической физики |
|---|---|
| Направление подготовки | 03.04.03. Радиофизика |
| Профиль | Электромагнитные волны в средах |
| Форма обучения | Очная |
| Общая трудоемкость | 4 ЗЕТ |
| Учебный план | 03_04_03_ЭМВС-12-2019 |
|
|
||||||||||||||
Распределение часов по семестрам
| Курс (семестр) | 1 (1) | Итого | ||
|---|---|---|---|---|
| Недель | 15 | |||
| Вид занятий | УП | РПД | УП | РПД |
| Лекции | 18 | 18 | 18 | 18 |
| Практические | 18 | 18 | 18 | 18 |
| Сам. работа | 81 | 81 | 81 | 81 |
| Часы на контроль | 27 | 27 | 27 | 27 |
| Итого | 144 | 144 | 144 | 144 |
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 радиофизики и теоретической физики
Протокол от 26.06.2018 г. № 12-2017\18
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор Лагутин Анатолий Алексеевич
| 1.1. | Формирование чётких представлений о фундаментальных положениях теории цифровой обработки сигналов. Обучение основам аналитических и численных методов расчета и анализа цифровых преобразователей сигналов; Развитие навыков проектирования систем цифровой обработки сигналов на основе аппаратных и программных ресурсов. |
|---|
| Цикл (раздел) ООП: Б1.В.ДВ.01 |
| ОПК-3 | способностью к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и радиофизики, необходимых для решения научно-исследовательских задач |
| ПК-2 | способностью самостоятельно ставить научные задачи в области физики и радиофизики и решать их с использованием современного оборудования и новейшего отечественного и зарубежного опыта |
| В результате освоения дисциплины обучающийся должен | |
| 3.1. | Знать: |
|---|---|
| 3.1.1. | физические и математические основы преобразования сигналов при цифровой обработке и связанные с ними искажения и погрешности; математические алгоритмы цифровой фильтрации и спектрального анализа сигналов методы синтеза цифровых фильтров и оценки точности ЦОС; общие принципы и средства реализации ЦОС; |
| 3.2. | Уметь: |
| 3.2.1. | составить техническое задание на проектирование устройства или системы ЦОС; обосновать в процессе исследования и проектирования необходимые параметры дискретизации и квантования; выбрать наиболее эффективный алгоритм обработки сигнала; выполнить синтез цифровых фильтров на ЭВМ; определить необходимую разрядность процессора ЦОС исходя из тре-буемой точности обработки; провести моделирование обработки на ЭВМ; выбрать современную элементную базу ЦОС в соответствии с технико-экономическими критериями; реализовать ЦОС на современной элементной базе; |
| 3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
| 3.3.1. | системным подходом к решению задач проектирования устройств ЦОС; методами автоматизированного проектирования аппаратного и программного обеспечения ЦОС. |
| Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Раздел 1. Дискретные цифровые сигналы и системы. Методы математического описания и анализа. | ||||||
| 1.1. | Предмет и основные понятия цифровой обработки сигналов (ЦОС). Обобщенная схема ЦОС. Сигналы и их преобразования при цифровой обработке. Дискретизация полосовых сигналов. Физическое содержание одномерных и двумерных сигналов. Квантование. Оценка качества цифровых сигналов. Нормирование времени. Типовые дискретные сигналы. | Лекции | 1 | 2 | ОПК-3 | Л1.1, Л3.1, Л2.2, Л2.3 |
| 1.2. | Нормирование частоты. Основная полоса частот. Повторение вопросов, рассмотренных на лекции. | Сам. работа | 1 | 6 | ОПК-3 | Л1.1, Л2.3 |
| 1.3. | Математические описания и характеристики линейных дискретных систем (ЛДС).Математическое описание ЛДС во временной области: импульсная характеристика (ИХ); соотношения вход/выход: формула свертки, разностное уравнение; рекурсивные и нерекурсивные ЛДС; системы с конечной и бесконечной импульсной характеристикой (КИХ- и БИХ-системы); | Лекции | 1 | 2 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.3 |
| 1.4. | Расчёт отклика линейной дискретной системы (ЛДС), заданной разностным уравнением или импульсной характеристикой, на входной сигнал. | Практические | 1 | 2 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.3 |
| 1.5. | Математическое описание ЛДС во временной области. Повторение вопросов, рассмотренных на лекции. | Сам. работа | 1 | 8 | Л1.1, Л2.3 | |
| 1.6. | Z-преобразование: определение; свойства; соотношение между комплексными p- и z-плоскостями; Математическое описание ЛДС в z-области: передаточная функция (ПФ) рекурсивных и нерекурсивных ЛДС; соотношения вход/выход в z-области; связь ПФ с разностным уравнением; карта нулей и полюсов; ПФ и ИХ рекурсивных звеньев 1-го и 2-го порядков; | Лекции | 1 | 2 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.3 |
| 1.7. | Расчёт z-преобразований типовых дискретных сигналов. | Практические | 1 | 2 | ОПК-3 | Л1.1, Л2.3 |
| 1.8. | Структура (структурная схема) ЛДС: определение; связь с видом ПФ; структуры рекурсивных ЛДС (прямая и ее модификации, каскадная, параллельная) и нерекурсивных ЛДС (прямая). | Сам. работа | 1 | 8 | ОПК-3 | Л1.1, Л2.3 |
| 1.9. | Математическое описание ЛДС в частотной области: частотная характеристика (ЧХ); АЧХ, ФЧХ – определение, свойства; связь ЧХ с ПФ; соотношения вход/выход в частотной области; расчет АЧХ и ФЧХ по ПФ; анализ АЧХ по карте нулей и полюсов. | Лекции | 1 | 2 | ОПК-3 | Л1.1, Л2.3 |
| 1.10. | Расчёт комплексных частотных характеристик ЛДС первого и второго порядка. | Практические | 1 | 2 | ПК-2 | Л1.1, Л2.3 |
| 1.11. | Минимально-фазовые и неминимально-фазовые ЛДС. Фазовые звенья 1 и 2 порядка. | Сам. работа | 1 | 8 | ОПК-3 | Л1.1, Л2.3 |
| Раздел 2. Цифровые БИХ и КИХ-фильтры.Методы структурной реализации и синтеза. | ||||||
| 2.1. | Классификация ,характеристики и структуры цифровых фильтров.Передаточные функции рекурсивных фильтров. Частотные характеристики и формы реализации рекурсивных фильтров. Основные этапы проектирования. Задание требований к АЧХ и ФЧХ. | Лекции | 1 | 2 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.2, Л2.3 |
| 2.2. | КИХ-фильтры с линейной ФЧХ (ЛФЧХ): условия линейности ФЧХ; четыре типа КИХ-фильтров с ЛФЧХ; прямая приведенная структура КИХ-фильтра. | Сам. работа | 1 | 8 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.2, Л2.3 |
| 2.3. | Синтез КИХ-фильтров с ЛФЧХ: метод окон. Общая характеристика задачи. Явление Гиббса. Окна и их основные параметры. Методика синтеза КИХ-фильтров на основе окон. | Лекции | 1 | 2 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.2, Л2.3 |
| 2.4. | Синтез цифровых согласованных КИХ-фильтров. | Практические | 1 | 2 | ПК-2 | Л1.1, Л2.3 |
| 2.5. | Связь между характеристиками сигнала и согласованного с ним фильтра. Свойства согласованного фильтра. | Сам. работа | 1 | 8 | ОПК-3 | Л1.1, Л2.3 |
| Раздел 3. Свойства и приложение дискретного преобразования Фурье. Реализация быстрого преобразования Фурье. | ||||||
| 3.1. | Вычисление дискретного преобразования Фурье. Симметрия и линейность ДПФ. Теорема о сдвиге. Утечка ДПФ. Использование окон для уменьшения утечки. Разрешающая способность ДПФ, дополнение нулями и дискретизация в частотной области. ДПФ комплексного входного сигнала. Спектральный анализ сигналов с помощью ДПФ. | Лекции | 1 | 2 | ОПК-3 | Л1.1, Л2.3 |
| 3.2. | Программная реализация дискретного преобразования Фурье. Проверка свойств прямого и обратного дискретного преобразования Фурье при программной реализации. Сравнение эффективности применения окон при программной реализации ДПФ. | Практические | 1 | 2 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.3 |
| 3.3. | Свойства прямого и обратного дискретного преобразования Фурье. Анализ причин возникновения утечки при ДПФ. Методы повышения разрешающей способности спектрального анализа при ДПФ. | Сам. работа | 1 | 10 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.3 |
| 3.4. | Принцип реализации алгоритма БПФ. Алгоритм БПФ с прореживанием по времени. Алгоритм БПФ с прореживанием по частоте. | Лекции | 1 | 2 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.3 |
| 3.5. | Анализ особенностей программной реализации БПФ. | Практические | 1 | 2 | ОПК-3 | Л1.1, Л2.3 |
| 3.6. | Структуры бабочек БПФ по основанию 2. | Сам. работа | 1 | 8 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.3 |
| 3.7. | Аппаратные средства ЦОС: универсальные и сигнальные процессоры, ПЛИС. Классификация программных средств ЦОС. Реализация систем ЦОС в интегрированных пакетах. | Лекции | 1 | 2 | ОПК-3 | Л1.1, Л3.2, Л2.3 |
| 3.8. | Реализация цифровых фильтров на базе ПЛИС. Математическое моделирование обработки сигналов линейной дискретной системой. | Практические | 1 | 6 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.4, Л2.1, Л3.2, Л2.3 |
| 3.9. | Технология и системы автоматизации проектирования цифровых устройств на базе ПЛИС. | Сам. работа | 1 | 17 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.1, Л3.2, Л2.3 |
| 3.10. | Проверка знаний и компетенций | Экзамен | 1 | 27 | ОПК-3, ПК-2 | Л1.1, Л2.4, Л2.1, Л2.3 |
| 5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
| 1. Какие преобразования имеют место при цифровой обработке сигналов? 2. Что такое дискретный сигнал и дискретная последовательность? 3. Какова природа размножения спектров при дискретизации сигналов по времени? 4. В чем заключаются взаимосвязь и отличие спектров дискретного и аналогового сигналов? 5. Как по известному спектру аналогового сигнала определить спектр соответствующего ему дискретного сигнала? 6. В чем заключается явление наложения спектров при дискретизации сигналов? 7. Можно ли по известному спектру дискретного сигнала найти спектр соответствующего ему аналогового сигнала? 8. Из каких условий выбирается частота дискретизации аналоговых сигналов? 9. Какова математическая модель квантования сигнала по уровню? 10. Как определяется погрешность квантования цифрового сигнала? 11. В соответствии с каким алгоритмом и как осуществляется обработка сигнала рекурсивным и нерекурсивным фильтрами? 12. Что понимается под импульсной характеристикой дискретной системы? 13. Какие фильтры называются фильтрами БИХ и КИХ-типа? 14. Что является коэффициентами нерекурсивных фильтров? 15. Какое преобразование применяют для описания дискретных сигналов и систем на комплексной плоскости и почему? 16. Какова связь между Z-преобразованием и преобразованием Фурье? 17. Как определяются передаточная функция и частотная характеристика дискретной системы? 18. Какова связь между передаточной функцией, частотной и импульсной характеристиками дискретной системы? 19. Каковы особенности частотных характеристик дискретных систем? 20. Как изменяется частотная характеристика дискретной системы при изменении частоты дискретизации? 21. Как находится передаточная функция РФ по его разностному уравнению? 22. Что такое нули и полюсы цифрового фильтра и какую информацию они несут? 23. Какой вид имеет нуль–полюсная форма передаточной функции РФ и каково ее практическое значение? |
| 5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
| 5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
| См. Приложения |
| 6.1. Рекомендуемая литература | ||||
| 6.1.1. Основная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л1.1 | В.П. Федосов, А.К. Нестеренко | Цифровая обработка сигналов в LabVIEW: учебное пособие | М.: ДМК Пресс // ЭБС "Лань", 2009 | e.lanbook.com |
| 6.1.2. Дополнительная литература | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л2.1 | Баран Е.Д. | LabVIEW FPGA Реконфигурируемые измерительные и управляющие системы: Бакалавриат, Магистратура, Специалитет | М.: ДМК Пресс // ЭБС "Лань", 2009 | e.lanbook.com |
| Л2.2 | Гадзиковский В.И. | Методы проектирования цифровых фильтров [Электронный ресурс]: | М.: Горячая линия - Телеком, 2012 | www.studentlibrary.ru |
| Л2.3 | Стивен Смит; пер. с англ. А.Ю. Литвиновича, С.В. Витязева, И.С. Гусинского | Цифровая обработка сигналов. Практическое руководство для инженеров и научных работников [Электронный ресурс]: | М.: ДМК Пресс, 2011 | www.studentlibrary.ru |
| Л2.4 | Дж. Тревис, Дж. Кринг | LabVIEW для всех: | М.: ДМК Пресс // ЭБС "Лань", 2011 | e.lanbook.com |
| 6.1.3. Дополнительные источники | ||||
| Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
| Л3.1 | А.Я. Суранов | Аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование: Методические указания к выполнению лабораторной работы | Изд-во АлтГУ, 2000 | |
| Л3.2 | Бортников А.Ю. | Проектирование устройств на базе ПЛИС: Методические указания к выполнению лабораторных работ | Изд-во АлтГУ, 2010 | |
| 6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
| Название | Эл. адрес | |||
| Э1 | М.И.Курячий Цифровая обработка сигналов: учебно-методическое пособие.- Томск 2012 73 с.tu.tusur.ru›upload/liblink/cos.pdf | |||
| Э2 | Литература по цифровой обработке сигналов [Электронный ресурс] Режим доступа: http://dsp-book.narod.ru/books.html | |||
| Э3 | Журнал "Цифровая обработка сигналов" [Электронный ресурс] Режим доступа:http://www.dspa.ru/- сайт | |||
| Э4 | Цифровая обработка сигналов. Лекции и практикум на ПК. Сайт проф. Давыдова А.В.[Электронный ресурс] Режим доступа:http://prodav.narod.ru/dsp/ | |||
| Э5 | В.И. Кривошеев, С.Ю. Медведев ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ. Лекции. [Электронный ресурс] Режим доступа:itlab.unn.ru›archive/lectures/DSP/DSP_Lectures.pdf | |||
| Э6 | Введение в цифровую обработку сигналов (математические основы) Алексей Лукин, 2007 [Электронный ресурс]Режим доступа:audio.rightmark.org›lukin/dspcourse/dspcourse.pdf | |||
| 6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
| Microsoft Windows Microsoft Office 7-Zip AcrobatReader | ||||
| 6.4. Перечень информационных справочных систем | ||||
| Аудитория | Назначение | Оборудование |
|---|---|---|
| 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) |
| 304К | лаборатория телекоммуникаций и цифрового телевидения центр систем автоматизации и управления - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации | Учебная мебель на 10 посадочных мест; рабочее место преподавателя; стеллажи под лабораторное оборудование; проектор: марка INFOCUS модель IN24 - 1 единица; программно-аппаратный комплекс измерения технологических параметров на базе плат, система сбора данных AFS, средства отладки и программирования DL-NEXYS, станции паяльные ERSA (2шт.), телефон системный Panasonic KX-DT321RU-B (2шт.), IP-платформа Panasonic KX-NCP1000RU, Анализатор спектра R&S FSH8, модальная система анализа и генерации сигналов, персональные портативные устройства сбора данных NI myDAQ; методические указания по выполнению лабораторных работ по курсам "Техника приема и обработки сигналов", "Проектирование устройств на ПЛИС", "Цифровая и микропроцессорная техника". |
| 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 |
| 519М | электронный читальный зал с доступом к ресурсам «ПРЕЗИДЕНТСКОЙ БИБЛИОТЕКИ имени Б.Н. Ельцина» - помещение для самостоятельной работы | Учебная мебель на 46 посадочных мест; 1 Флипчарт; компьютеры; ноутбуки с подключением к информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" и доступом в электронную информационно-образовательную среду; стационарный проектор: марка Panasonic, модель PT-ST10E; стационарный экран: марка Projecta, модель 10200123; система видеоконференцсвязи Cisco Telepresence C20; конгресс система Bosch DCN Next Generation; 8 ЖК-панелей |
| Курс состоит из трёх основных разделов: 1. методы математического описания и анализа дискретных цифровых сигналов и систем; 2. методы структурной реализации и синтеза цифровых БИХ и КИХ-фильтров; 3. свойства и приложение дискретного преобразования Фурье. Реализация быстрого преобразования Фурье. При изучении первого раздела необходимо представить типовую схему цифровой обработки сигналов и рассмотреть основные типы сигналов и их математическое описание. Новыми являются понятия нормированного времени и нормированной частоты, а также основной полосы частот. При переходе к изучению математического аппарата описания сигналов и линейных систем необходимо повторить разделы курса радиоэлектроники, касавшиеся дискретизации видеосигналов, а также вспомнить математический аппарат, лежащий в основе разложения периодических сигналов в ряд Фурье и преобразования Лапласа. На базе таких преобразований для дискретных сигналов вводится дискретное преобразование Лапласа и далее, как его усовершенствование, z-преобразование. Исходя из того, что z-преобразование является основным математическим аппаратом описания дискретных сигналов и линейных систем, необходимо более подробно изучить связь z-плоскости с p-плоскостью, а также основные свойства z-преобразования. Хорошую практику даёт нахождение z-преобразования типовых дискретных сигналов. При выполнении обратного z-преобразования необходимо уметь пользоваться как теоремой Коши о вычетах и разложением на простые дроби, так и таблицами соответствия. Последний подход больше соответствует практике инженерного проектирования систем цифровой обработки сигнала. При описании линейных дискретных систем (ЛДС) необходимо уметь пользоваться математическим аппаратом для описания ЛДС во временной, частотной и z-области. Описание во временной области включает использование импульсной характеристики ЛДС и формулы свёртки, а также разностного уравнения (РУ). Исходя из вида импульсной характеристики и РУ вводятся понятия рекурсивных и нерекурсивных ЛДС и, соответственно, систем с конечной и бесконечной импульсной характеристикой. При описании ЛДС в z-области вводятся понятия передаточной функции (ПФ) и устанавливается её связь с РУ. Необходимо иметь в виду, что ПФ любого порядка могут быть представлены в виде произведения множителей первого или второго порядка или в виде сумм дробей второго порядка. Это обуславливает необходимость более подробного изучения ПФ звеньев первого и второго порядка. При этом важное значение имеет связь характеристик данных звеньев с картой нулей и полюсов. При описании ЛДС в частотной области пользуются известными из курса радиоэлектроники понятиями амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик (АЧХ и ФЧХ соответственно). Здесь также большее внимание необходимо уделить звеньям первого и второго порядка, в частности тому, как можно провести экспресс-анализ АЧХ и ФЧХ этих звеньев. При анализе цифровых БИХ и КИХ-фильтров необходимо начать с их классификации, определения характеристик и анализа методов структурной реализации и синтеза. При синтезе ЦФ необходимо иметь представление о перечне требований к ним, который может формулироваться как во временной, так и в частотной области. Основным методом синтеза КИХ-фильтров является оконный метод, который связан с использованием различных окон для приведения идеального фильтра к реализуемому. В этом плане необходимо иметь полное представление о временных и спектральных характеристиках окон. При проектировании фильтров необходимо также учитывать явление Гиббса. При изучении дискретного преобразования Фурье (ДПФ) следует обратить внимание как на общие свойства ДПФ, так и на особенности, возникающие при ДПФ реальных сигналов, в частности на явление утечки. Необходимо также понять источники повышения быстродействия алгоритма спектрального анализа при переходе к БПФ. |