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

Техника приема и обработки сигналов

рабочая программа дисциплины
Закреплена за кафедройКафедра радиофизики и теоретической физики
Направление подготовки03.03.03. Радиофизика
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость6 ЗЕТ
Учебный план03_03_03_РФ-4-2019
Часов по учебному плану 216
в том числе:
аудиторные занятия 90
самостоятельная работа 99
контроль 27
Виды контроля по семестрам
экзамены: 7

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 4 (7) Итого
Недель 19
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 18 18 18 18
Лабораторные 72 72 72 72
Сам. работа 99 99 99 99
Часы на контроль 27 27 27 27
Итого 216 216 216 216

Программу составил(и):
к.т.н., доцент, Суранов А.Я.

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

Рабочая программа дисциплины
Техника приема и обработки сигналов

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.03.03 РАДИОФИЗИКА (уровень бакалавриата) (приказ Минобрнауки России от 12.03.2015г. №225)

составлена на основании учебного плана:
03.03.03 Радиофизика
утвержденного учёным советом вуза от 25.06.2019 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра радиофизики и теоретической физики

Протокол от 26.06.2018 г. № 12-2017\18
Срок действия программы: 2018-2019 уч. г.

Заведующий кафедрой
д.ф.-м.н., профессор Лагутин Анатолий Алексеевич


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. Цели освоения дисциплины

1.1.Знакомство с основными принципами приема и обработки радиосигналов с аналоговой и цифровой модуляцией.
Изучение принципов построения и методов проектирования радиоприемных устройств различного назначения на современной элементной базе.
Овладение методами расчета и экспериментальной оценки характеристик устройств приема и обработки сигналов.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.01

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ПК-3 владением компьютером на уровне опытного пользователя, применению информационных технологий
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.Основные методы приема и обработки сигналов
Принципы построения и математические основы преобразования сигналов в аналоговых и цифровых системах передачи информации.
3.2.Уметь:
3.2.1.Применять на практике теоретические знания при решении задач приёма и обработки сигналов.
Рассчитывать и измерять характеристики устройств приёма и обработки сигналов.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.Методами автоматизации эксперимента в области приема и обработки сигналов.
Методами анализа и проектирования радиоприёмных устройств.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Аналоговые системы приёма радиосигналов
1.1. Основные понятия теории радиоприема. Функции, классификация, сравнительный анализ схемотехники радиоприемных устройств. Программно опредляемое радио. Основные характеристики радиоприёмников. Лекции 7 2 ПК-3 Л3.4, Л1.1, Л1.3, Л2.1
1.2. Измерение основных характеристик радиовещательного радиоприемника УКВ-диапазона. Лабораторные 7 6 ПК-3 Л3.1, Л3.3, Л2.2, Л1.1, Л2.1
1.3. Спектр частот радиовещательных станций и особенности приема сигналов в различных диапазонах частот. Функции устройств приема и обработки сигналов в составе радиотехнических систем различного назначения. Сам. работа 7 8 ПК-3 Л1.1, Л2.1
1.4. Классификация источников шумов в радиоприемниках. Понятие о коэффициенте шума каскада радиоприемника. Коэффициент шума последовательного соединения каскадов. Шумовая температура. Лекции 7 2 ПК-3 Л1.1, Л2.1
1.5. Автоматизированное измерение характеристик УКВ-радиоприемника Лабораторные 7 8 ПК-3 Л2.2, Л3.4, Л2.3, Л1.1, Л2.1
1.6. Особенности появления внешних помех в различных частотных диапазонах. Помехоустойчивость приема и селекция сигналов. Сам. работа 7 8 ПК-3 Л2.4, Л1.1, Л2.1
1.7. Преобразование спектра сигнала в смесителях. Спектр действительного монохроматического, baseband-сигнала и модулированного сигнала. Временное представление комплексного монохроматического, baseband-сигнала и модулированного сигнала. Векторный, квадратурный и комплексный смесители. Спектры сигналов на выходе смесителей. Схемная реализация смесителей сигналов с переносом на нулевую и на ненулевую частоту. Подавление зеркальной частоты в квадратурном смесителе. Лекции 7 2 ПК-3 Л2.4, Л3.4, Л1.1, Л2.1
1.8. Детектирование ЧМ-сигналов с помощью квадратурных методов. Лабораторные 7 12 ПК-3 Л2.2, Л3.4, Л1.1, Л2.1
1.9. Параметры и схемотехника преобразователей частоты. Параметры и схемотехника гетеродинов. Сам. работа 7 8 ПК-3 Л1.1, Л2.1
1.10. Системы автоматической регулировки усиления и автоматической подстройки частоты, принцип работы, схемы и характеристики. Работа синтезатора частоты на основе цифровой ФАПЧ. Лекции 7 2 ПК-3 Л2.4, Л3.4, Л1.1, Л3.2, Л2.1
1.11. Измерение характеристик цифрового синтезатора частот. Лабораторные 7 6 ПК-3 Л2.2, Л3.4, Л1.1, Л3.2, Л2.1
1.12. Схемотехника систем ФАПЧ. Сам. работа 7 8 ПК-3 Л1.1, Л3.2, Л2.1
1.13. Измерение параметров спектра сигналов различных источников в диапазоне 100 кГц – 2,4 ГГц. Лабораторные 7 8 ПК-3 Л2.4, Л3.4, Л1.1, Л1.2, Л2.1
1.14. Изучение принципа работы и функциональных возможностей анализатора спектра R&S FSH4/8 Сам. работа 7 10 ПК-3 Л1.1, Л2.1
Раздел 2. Цифровые системы приёма радиосигналов
2.1. Достоинства и недостатки цифровых систем передачи информации. Обобщенная схема системы цифровой передачи информации. Функции блоков схемы. Форматирование сигналов. Операции дискретизации и восстановления непрерывных сигналов. Погрешность квантования. Методы кодирования источника (сжатия информации). Лекции 7 2 ПК-3 Л2.4, Л3.4, Л1.1, Л2.1
2.2. Моделирование тракта приёма цифровых сигналов в LabVIEW. Лабораторные 7 8 ПК-3 Л2.4, Л2.2, Л3.4, Л1.1, Л2.1
2.3. Функции цифровой демодуляции в LabVIEW Сам. работа 7 10 ПК-3 Л3.4, Л1.1, Л2.1
2.4. Требования к кодировкам при импульсной модуляции. Типы сигналов при импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Достоинства и недостатки отдельных кодировок PCM (ИКМ). Спектральные параметры сигналов ИКМ. Лекции 7 2 ПК-3 Л2.4, Л1.1, Л2.1
2.5. Требования к кодировкам при импульсной модуляции. Типы сигналов при импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Достоинства и недостатки отдельных кодировок PCM (ИКМ). Спектральные параметры сигналов ИКМ. Сам. работа 7 8 ПК-3 Л1.1, Л2.1
2.6. Демодуляция и детектирование цифровых сигналов. Суть оптимального приема сигналов с известной формой. Импульсная и частотная характеристика согласованного фильтра. Примеры реализации согласованных фильтров.Отношение сигнал-шум на выходе согласованного фильтра. Согласованный фильтр как коррелятор. Лекции 7 2 ПК-3 Л1.1, Л2.1
2.7. Анализ примеров реализации согласованных фильтров. Сам. работа 7 7 ПК-3 Л1.1, Л2.1
2.8. Согласованная фильтрация. Лабораторные 7 6 ПК-3 Л2.4, Л3.4, Л1.1, Л2.1
2.9. Функции демодуляции и детектирования в LabVIEW. Сам. работа 7 8 ПК-3 Л2.2, Л3.4, Л1.1, Л2.1
2.10. Полосовая модуляция и демодуляция. Классификация методов манипуляции. Общие принципы построения оптимальных приемников М-арных сигналов. Схема некогерентного приема бинарной FSK. Минимальное расстояние между тонами для ортогональной FSK для некогерентного и когерентного приема. Зависимости вероятности битовой ошибки при М-арной ортогональной частотной манипуляции при когерентном приеме. OFDM- модуляция. Лекции 7 2 ПК-3 Л1.1, Л2.1
2.11. Моделирование передачи и приема частотно-манипулированного сигнала и анализ вероятности битовой ошибки. Лабораторные 7 6 ПК-3 Л2.2, Л3.4, Л1.1, Л2.1
2.12. Функции частотной манипуляции в LabVIEW. Сам. работа 7 8 ПК-3 Л2.2, Л3.4, Л1.1, Л2.1
2.13. Построение модуляторов и приемников в случае использования бинарной и квадратурной PSK. Зависимости вероятности битовой ошибки при М-арной фазовой манипуляции. QAM- модуляция и сигнальные созвездия при QAM- модуляции. Методы расширения спектра. Методы множественного доступа. Межсимвольные искажения (ISI). Виды фильтров для ослабления ISI. Лекции 7 2 ПК-3 Л1.1, Л2.1
2.14. Моделирование передачи и приема фазово-манипулированного сигнала и анализ вероятности битовой ошибки. Лабораторные 7 6 ПК-3 Л2.2, Л3.4, Л1.1, Л2.1
2.15. Функции фазовой манипуляции в LabVIEW. Сам. работа 7 8 ПК-3 Л2.2, Л3.4, Л1.1, Л2.1
2.16. Моделирование передачи и приема сигнала с квадратурной амплитудной манипуляцией и анализ вероятности битовой ошибки. Лабораторные 7 6 ПК-3 Л2.2, Л3.4, Л1.1, Л2.1
2.17. Функции квадратурной манипуляции в LabVIEW. Сам. работа 7 8 ПК-3 Л2.2, Л3.4, Л1.1, Л2.1
2.18. Контроль знаний и компетенций Экзамен 7 27 ПК-3 Л1.1, Л1.3

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
1. Классификация и схемотехника радиоприемных устройств.
2. Основные характеристики радиоприемных устройств.
3. Классификация источников шумов в радиоприемниках.
4. Понятие о коэффициенте шума каскада радиоприемника. Шумовая температура.
5. Коэффициент шума последовательного соединения каскадов.
6. Спектр действительного монохроматического, baseband-сигнала и модулированного сигнала. Действительный сигнал как компонента комплексного сигнала (применительно к трём перечисленным типам сигналов).
7. Временное представление комплексного монохроматического, baseband-сигнала и модулированного сигнала.
8. Спектры квадратурных сигналов.
9. Векторный, квадратурный и комплексный смесители. Спектры сигналов на выходе смесителей. Подавление зеркальной частоты в квадратурном смесителе.
10. Схемотехника, достоинства и недостатки, проблемы построения приёмников программно-конфигурируемого радио. Приёмники с ненулевой (высокой и низкой) и нулевой промежуточной частотой.
11. Системы автоматической регулировки усиления.
12. Системы автоматической подстройки частоты.
13. Обобщенная схема системы цифровой передачи информации. Функции блоков схемы.
14. Операции дискретизации и восстановления непрерывных сигналов. Погрешность квантования.
15. Типы сигналов при импульсно-кодовой модуляции (ИКМ). Достоинства и недостатки отдельных кодировок ИКМ. Спектральные параметры сигналов ИКМ.
16. Демодуляция и детектирование цифровых сигналов.
17. Суть оптимального приема сигналов с известной формой.
18. Импульсная и частотная характеристика согласованного фильтра.
19. Примеры реализации согласованных фильтров.
20. Отношение сигнал-шум на выходе согласованного фильтра.
21. Согласованный фильтр как коррелятор.
22. Расчет и оптимизация вероятности битовой ошибки для случая бинарного кодирования цифровых сигналов
23. Полосовая модуляция и демодуляция. Классификация методов манипуляции.
24. Общие принципы построение оптимальных приемников М-арных сигналов.
25. Когерентное детектирование сигналов FSK. Схема некогерентного приема бинарной FSK.
26. Минимальное расстояние между тонами для ортогональной FSK при когерентном и некогерентном приеме.
27. Зависимости вероятности битовой ошибки при М-арной ортогональной частотной манипуляции при когерентном приеме.
28. Построение модуляторов и приемников в случае использования бинарной и квадратурной PSK.
29. Зависимости вероятности битовой ошибки при М-арной фазовой манипуляции.
30. Сигнальные созвездия при QAM- модуляции. Принципы формирования QAM-сигналов.
31. Методы расширения спектра. Методы множественного доступа.
32. Межсимвольные искажения (ISI). Виды фильтров для ослабления ISI.
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. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины

6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 В. И. Нефедов, А. С. Сигов ; под ред. В. И. Нефедова Общая теория связи: учебник для бакалавриата и магистратуры М. : Изд-во "Юрайт" // ЭБС "Юрайт", 2018 biblio-online.ru
Л1.2 Э. Ф. Хамадулин Методы и средства измерений в телекоммуникационных системах: учебное пособие для академического бакалавриата М. : Изд-во "Юрайт" // ЭБС "Юрайт", 2018 biblio-online.ru
Л1.3 В. А. Романюк Основы радиосвязи: учебник для вузов М. : Изд-во "Юрайт" // ЭБС "Юрайт", 2018 biblio-online.ru
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 Галкин В.А. Основы программно-конфигурируемого радио [электронный ресурс]: М.: Горячая линия - Телеком, 2013 http:///www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785991203050.html
Л2.2 Суранов А.Я. LabVIEW 8.20: Справочник по функциям: Справочник М.: ДМК Пресс // ЭБС "Лань", 2009 e.lanbook.com
Л2.3 А. В. Аминев, А. В. Блохин ; под общ. ред. А. В. Блохина Измерения в телекоммуникационных системах: учебное пособие для вузов ЭБС "Юрайт" , 2018 urait.ru
Л2.4 Догадин Н. Б. Основы радиотехники: учеб. пособие СПб.: Лань, 2007
6.1.3. Дополнительные источники
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л3.1 Суранов А.Я. Угловая модуляция: Методическое пособие Изд-во АлтГУ, 2000
Л3.2 Ю. В. Марков, А. С. Боков ; под науч. ред. Н. П. Никитина. Устройства приема и обработки сигналов: проектирование: учебное пособие для вузов М. : Издательство Юрайт, 2018
Л3.3 Суранов А.Я. Супергетеродинный приемник : Методические указания Изд-во АлтГУ, 2003
Л3.4 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 ЭБС «Лань» e.lanbook.com
Э2 ЭБС «Университетская библиотека онлайн» www.biblioclub.ru
Э3 ЭБС «Юрайт» www.biblio-online.ru
Э4 ЭБС "АлтГУ" elibrary.asu.ru
6.3. Перечень программного обеспечения
Microsoft Windows
Microsoft Office
7-Zip
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

Аудитория Назначение Оборудование
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".
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)
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

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Курс состоит из двух основных частей, касающихся вопросов приёма и обработки аналоговых и цифровых сигналов, причём вторая часть является большей по объёму.
При изучении вопросов первой части необходимо усвоить основные понятия теории радиоприёма и представлять весь набор функций радиоприёмных устройств (РПрУ). Для ориентации во всём многообразии таких устройств необходимо руководствоваться их классификацией по различным критериям, а также знать схемотехнику на структурном уровне и основные характеристики. Для понимания ограничений чувствительности приёмников надо знать свойства внутренних и внешних шумов РПрУ, а также их шумовые характеристики. При рассмотрении одной из основных операций преобразования сигнала в РПрУ – операции смешения сигналов или переноса частоты, помимо традиционных векторных смесителей надо понять работу современных квадратурных и комплексных смесителей. С этим связана необходимость анализа спектра действительного монохроматического, baseband-сигнала и модулированного сигнала, а также временного представления этих сигналов в комплексной форме.
При изучении вопросов второй части необходимо руководствоваться общей структурной схемой цифровой системы передачи информации и знанием функций её блоков. Это позволяет последовательно по данной схеме рассмотреть вопросы форматирования (аналого-цифрового преобразования), методы кодирования источника (сжатия информации) и импульсной модуляции.
При дальнейшем движении по структурной схеме необходимо усвоить такие ключевые вопросы демодуляции и детектирования цифровых сигналов, как суть оптимального приема сигналов с известной формой, импульсная и частотная характеристика согласованного фильтра, отношение сигнал-шум на выходе согласованного фильтра и согласованный фильтр как коррелятор. Хорошее понимание данных вопросов позволит перейти к общим принципам построение оптимальных приемников М-арных сигналов и расчётам вероятности битовой ошибки для конкретных видов полосовой манипуляции.
Помимо вопросов оптимального (согласованного) приёма, большое значение для понимания основ работы современных радиоприёмных устройств имеет чёткое представление о принципах OFDM-модуляции, методах расширения спектра и множественного доступа.