Закреплена за кафедрой | Кафедра радиофизики и теоретической физики |
---|---|
Направление подготовки | 03.04.03. Радиофизика |
Профиль | Электромагнитные волны в средах |
Форма обучения | Очная |
Общая трудоемкость | 3 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 |
Лабораторные | 12 | 12 | 12 | 12 |
Сам. работа | 78 | 78 | 78 | 78 |
Итого | 108 | 108 | 108 | 108 |
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 06.06.2019 г. № 9/2018-19
Заведующий кафедрой д.ф.-м.н., профессор Лагутин Анатолий Алексеевич
1.1. | Цель курса «Теория информации» состоит в освоении студентами основ теории информации и теории кодирования, а также в получении знаний о современных технологиях передачи и преобразования информации. Основными задачами курса являются: овладение фундаментальными знаниями по теории информации и теории кодирования; овладение технологиями кодирования и сжатия, восстановления и хранения информации; приобретение практических навыков реализации кодирующих и декодирующих алгоритмов. |
---|
Цикл (раздел) ООП: Б1.В |
ОПК-2 | готовностью руководить коллективом в сфере своей профессиональной деятельности, толерантно воспринимая социальные, этнические, конфессиональные и культурные различия |
ОПК-3 | способностью к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и радиофизики, необходимых для решения научно-исследовательских задач |
ПК-1 | способностью использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики |
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. | основные понятия и теоремы теории информации и кодирования; основные принципы и способы кодирования и декодирования; характеристики кодов разного типа, понятие оптимального и помехоустойчивого кодирования; методы исследования кодов и их применений в ЭВМ и системах защиты информации. основные классы кодов, их параметры и алгоритмы кодирования/декодирования. |
3.2. | Уметь: |
3.2.1. | вычислять количество информации в сообщениях дискретного источника канала связи; кодировать и декодировать сообщения источника одним из изученных кодов, оценивать его оптимальность и помехоустойчивость; оценивать количество информации, вероятность ошибки на выходе канала связи и вероятность ошибочного декодирования; выбирать, реализовывать и применять кодирующие и декодирующие алгоритмы для различных классов задач. |
3.3. | Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть): |
3.3.1. | навыками реализации кодирующих и декодирующих алгоритмов; навыками сравнительного анализа кодов и алгоритмов.основными. |
Код занятия | Наименование разделов и тем | Вид занятия | Семестр | Часов | Компетенции | Литература |
---|---|---|---|---|---|---|
Раздел 1. Основы теории информации и кодирования | ||||||
1.1. | Энтропия вероятностной схемы; аксиомы Хинчина и Фаддеева; условная энтропия; взаимная информация и ее свойства; | Лекции | 1 | 2 | ОПК-3 | Л2.2, Л1.3, Л1.1 |
1.2. | Источники информации; энтропия источников; дискретный источник без памяти; теоремы Шеннона об источниках; марковские и эргодические источники; информационная дивергенция; граница Симмонса; | Лекции | 1 | 1 | ОПК-3 | Л1.3, Л2.3 |
1.3. | Изучение леционного материала, основной и дополнительной литературы. | Сам. работа | 1 | 20 | ОПК-2, ОПК-3 | Л1.3, Л2.3 |
Раздел 2. Оптимальное кодирование и сжатие данных | ||||||
2.1. | Оптимальное кодирование; префиксные коды; неравенство Крафта; линейные коды; параметры кодов и их границы; корректирующие свойства кодов; циклические коды; БЧХ - коды; код Хемминга; сверточные коды; математическая модель канала связи; пропускная способность канала связи; прямая и обратная теоремы кодирования. | Лекции | 1 | 3 | ОПК-3 | Л2.2, Л1.3, Л1.1, Л2.3 |
2.2. | Шифрование подстановкой и раскрытие шифра методом частотного анализа. | Лабораторные | 1 | 2 | ОПК-2, ПК-1, ПК-2 | Л1.1 |
2.3. | Кодирование методом Шеннона-Фано. | Лабораторные | 1 | 1 | ОПК-2, ПК-1, ПК-2 | Л1.1 |
2.4. | Кодирование методом Хаффмана. | Лабораторные | 1 | 1 | ОПК-2, ПК-1, ПК-2 | Л1.1 |
2.5. | Арифметическое кодирование. | Лабораторные | 1 | 2 | ОПК-2, ПК-1, ПК-2 | Л1.1 |
2.6. | Словарные алгоритмы. Методы Лемпела-Зива. | Лекции | 1 | 1 | ОПК-3 | Л1.1 |
2.7. | LZ-сжатие данных. Разновидности алгоритмов. Особенности реализации. | Лабораторные | 1 | 2 | ОПК-2, ПК-1, ПК-2 | Л1.1 |
2.8. | Сжатие с потерями. Основные идеи, методы и форматы данных. | Лекции | 1 | 1 | ОПК-3 | Л1.3, Л1.1 |
2.9. | Сжатие с потерями. Анализ распространенных современных форматов данных использующих сжатие с потерями. | Лабораторные | 1 | 2 | ОПК-2, ПК-1, ПК-2 | Л1.3, Л1.1 |
2.10. | Основы методов фрактального сжатия. | Лекции | 1 | 2 | ОПК-3 | |
2.11. | Работа с лекционным материалом, основной и дополнительной литературой. Выполнениие лабораторных работ. | Сам. работа | 1 | 20 | ПК-1, ПК-2 | Л1.1 |
Раздел 3. Теоретические основы передачи данных | ||||||
3.1. | Сигналы с ограниченным спектром. Теорема Котельникова (Найквиста-Шеннона). | Лекции | 1 | 1 | ОПК-3 | Л1.1, Л1.2 |
3.2. | Математическая модель канала связи. Емкость канала. Прямая и обратная теоремы кодирования. Предельные скорости передачи данных через канал без помех/с помехами. | Лекции | 1 | 1 | ОПК-3 | Л1.1, Л1.2 |
3.3. | Временные и спектральные характеристики дискретных сигналов. Преобразование Фурье и вейвлет-преобразование. | Лекции | 1 | 1 | ОПК-3 | Л1.1, Л1.2 |
3.4. | Работа с лекционным материалом, основной и дополнительной литературой. Выполнение лабораторных работ. | Сам. работа | 1 | 18 | ОПК-3 | Л1.1, Л1.2, Л2.3 |
Раздел 4. Помехоустойчивое кодирование и контроль ошибок | ||||||
4.1. | Помехоустойчивое кодирование. Основные подходы. Неравенство Крафта-Макмиллана. | Лекции | 1 | 1 | ОПК-2, ОПК-3 | Л1.1, Л1.2, Л2.3 |
4.2. | Матричное кодирование. Групповые коды. Совершенные и квазисовершенные коды. Код Хемминга. | Лекции | 1 | 1 | ОПК-3 | Л1.1, Л1.2, Л2.3 |
4.3. | Полиномиальные коды. Коды БЧХ. Коды Рида-Соломона. Циклические избыточные коды. | Лекции | 1 | 1 | ОПК-2, ОПК-3 | Л1.1, Л1.2, Л2.3 |
4.4. | Сверточные коды. Турбо-коды. | Лекции | 1 | 1 | ОПК-3 | Л1.1, Л1.2, Л2.3 |
4.5. | Помехоустойчивое кодирование (особенности реализации алгоритмов). | Лабораторные | 1 | 2 | ОПК-2, ПК-1, ПК-2 | Л1.1, Л1.2 |
4.6. | Основные положения квантовой теории информации. Квантовые компьютеры. Квантовые алгоритмы. Квантовая криптография. | Лекции | 1 | 1 | ОПК-2, ОПК-3 | Л1.3, Л2.1 |
4.7. | Работа с лекционным материалом, основной и дополнительной литературой. Выполнение лабораторных работ. | Сам. работа | 1 | 20 | ПК-1, ПК-2 | Л1.3, Л1.1, Л1.2, Л2.1 |
5.1. Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины |
1. Общефизические основы теории информации. Термодинамика и энтропия. Информация, содержащаяся в экспериментальных данных и теоретическом законе. 2. Информация и данные. Кодирование. Цифровые коды. Понятие об экономичном кодировании. 3. Вероятностный подход к измерению количества информации. Энтропия Шеннона. Семантическая информация. 4. Взаимная информация и информационная дивергенция. Энтропия источников. Теоремы Шеннона об источниках. 1. Кодирование Шеннона-Фэно. 2. Кодирование Хаффмана. 3. Арифметическое кодирование. 4. Адаптивные алгоритмы. 5. Методы Лемпела-Зива. 6. Сжатие с потерями. Основные методы и форматы данных. 7. Основы методов фрактального сжатия. 8. Сигналы с ограниченным спектром. Теорема Котельникова (Найквиста-Шеннона). 9. Математическая модель канала связи. Емкость канала. Прямая и обратная теоремы кодирования. Предельные скорости передачи данных через канал без помех/с помехами. 10. Временные и спектральные характеристики дискретных сигналов. Преобразование Фурье и вейвлет-преобразование. 11. Помехоустойчивое кодирование. Неравенство Крафта-Макмиллана. 12. Матричное кодирование. 13. Групповые коды. Совершенные и квазисовершенные коды. 14. Код Хемминга. 15. Полиномиальные коды. 16. Коды Боуза-Чоудхури-Хоккенгема. Коды Рида-Соломона. 17. Циклические избыточные коды. 18. Сверточные коды. 19. Турбо-коды. 20. Основные положения квантовой теории информации. Квантовые компьютеры. Квантовые алгоритмы. Квантовая криптография. 21. Основы технологии "Блокчейн" |
5.2. Темы письменных работ для проведения текущего контроля (эссе, рефераты, курсовые работы и др.) |
Изучение и сравнительный анализ формата WebP. Изучение и сравнительный анализ формата WebM. Применение вейвлет-переобразований при сжатии данных с потерями. Фрактальное сжатие изображений. Основы квантовой теории информации. Квантовые алгоритмы. Основы технологии "Блокчейн" |
5.3. Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации |
См. прилагаемый файл. |
6.1. Рекомендуемая литература | ||||
6.1.1. Основная литература | ||||
Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
Л1.1 | Иордан В.И., Гуляев П.Ю. | Основы теории информации и кодирования: учеб. пособие : | Барнаул : Изд-во АлтГУ, 2004 | |
Л1.2 | Сидельников В. М. | Теория кодирования: | М.: Физматлит, 2008 | biblioclub.ru |
Л1.3 | Балюкевич Э.Л. | Теория информации: Учебно-методический комплекс | М.: Евразийский открытый институт // ЭБС "ONLINE", 2009 | biblioclub.ru |
6.1.2. Дополнительная литература | ||||
Авторы | Заглавие | Издательство, год | Эл. адрес | |
Л2.1 | Хренников А. Ю. | Введение в квантовую теорию информации: | М.: Физматлит, 2008 | e.lanbook.com |
Л2.2 | Ю. Н. Мальцев, Е. П. Петров | Элементы дискретной математики: Элементы комбинаторики, теории графов, теории кодирования и криптографии: [учеб. пособие] | Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2004 | |
Л2.3 | Чечёта С. И. | Введение в дискретную теорию информации и кодирования: | М.: МЦНМО, 2011 | biblioclub.ru |
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет" | ||||
Название | Эл. адрес | |||
Э1 | В.В. Лидовский. Теория информации. [Электронный ресурс]: Московский центр непрерывного математического образования. Режим доступа: http://www.mccme.ru/free-books/izdano/2004/it_ebook1.pdf 10.10.2011. | |||
Э2 | Все о сжатии данных, изображений и видео. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.compression.ru 10.10.2012. | |||
6.3. Перечень программного обеспечения | ||||
Компилятор языка прграммирования высокого уровня и среда разработки. | ||||
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) |
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 |
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 |
Практические занятия нацелены на приобретение навыков выбора и реализации кодирующих и декодирующих алгоритмов. При выполнении практических заданий и итоговых индивидуальных заданий используются электронные учебно-методические материалы по курсу, размещенные на образовательном портале АлтГУ (http://http://portal.edu.asu.ru) Перечень тем, выносимых на практические занятия. 1. Шифрование подстановкой и раскрытие шифра методом частотного анализа. 2. Кодирование методом Шеннона-Фано. 3. Кодирование методом Хаффмана. 4. Арифметическое кодирование. 5. LZ-сжатие данных. Разновидности алгоритмов. Особенности реали-зации. 6. Сжатие с потерями. Анализ распространенных современных форматов данных использующих сжатие с потерями. 7. Помехоустойчивое кодирование (особенности реализации алгоритмов). Планы лабораторных занятий и методические рекомендации по подготовке к ним 1. Шифрование подстановкой и раскрытие шифра методом ча-стотного анализа. Продемонстрировать уязвимость "шифра простой заме-ны" по отношению к частотному анализу. Выполнитиь частотный анализ открытого текста_1 (не менее 100 тыс. знаков). Выполнить шифрование простой заменой текста_2 (не менее 100 тыс. знаков). Выполнить частотный анализ шифротекста_2. Сопоставив результа-ты частотного анализа, восстановить ключ (таблицу под-становки). С использованием восстановленного ключа расшифровать случайно выбранную строку шифротекста_2. 2. Кодирование методом Шеннона-Фано. Выполнить сжатие данных методом Шеннона-Фано. Продемонстрировать на примерах преимущества и недостат-ки использованного алгоритма. 3. Кодирование методом Хаффмана. Выполнить сжатие данных методом Хаффмана. Продемонстрировать на примерах преимущества и недостатки использованного алгоритма. 4. Арифметическое кодирование Выполнить арифметическое кодирование. В случае, если в предыдущей работе был использован неадаптивный ме-тод Хаффмана, применить адаптивное арифметическое кодирование. Продемонстрировать на примерах пре-имущества и недостатки использованного алгоритма. 5. LZ-сжатие данных. Выполнить сжатие данных при помощи словарно-ориентированного алгоритма (конкретную версию выбрать самостоятельно). Продемонстрировать на примерах преимущества и недостатки использованного алго-ритма. 6. Код Хемминга Реализовать (7,4) и (9,5) коды Хемминга. Выполнить сравнительный анализ избыточности и корректирующей мощности кодов. 7. Помехоустойчивое кодирование. Реализовать один из рассмотренных алгоритмов помехо-устойчивого кодирования. Продемонстрировать на при-мерах преимущества и недостатки использованного ал-горитма. Цель самостоятельной работы - систематизация, закрепление и расширение теоретических и практических знаний с использованием современных информационных технологий и литературных источников. Самостоятельная работа включает: работу с лекционным материалом, основной и дополнительной литературой, Интернет-ресурсами, выполнение и подготовку отчетов по лабораторным работам, выполнение итоговых индивидуальных заданий. |