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

Основы цифровой обработки сигналов
рабочая программа дисциплины

Закреплена за кафедройКафедра общей и экспериментальной физики
Направление подготовки03.03.02. Физика
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость6 ЗЕТ
Учебный план03_03_02_Ф-3-2020
Часов по учебному плану 216
в том числе:
аудиторные занятия 86
самостоятельная работа 130
Виды контроля по семестрам
зачеты: 6

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 3 (5) 3 (6) Итого
Недель 19 19,5
Вид занятий УПРПДУПРПДУПРПД
Лекции 14 14 14 14 28 28
Лабораторные 30 30 28 28 58 58
Сам. работа 64 64 66 66 130 130
Итого 108 108 108 108 216 216

Программу составил(и):
канд. техн. наук, доцент, С.Ф. Дмитриев

Рецензент(ы):
канд. физ.-мат. наук, доцент, Д.Д. РУдер

Рабочая программа дисциплины
Основы цифровой обработки сигналов

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 03.03.02 ФИЗИКА (уровень бакалавриата) (приказ Минобрнауки России от 07.08.2014г. №937)

составлена на основании учебного плана:
03.03.02 Физика
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра общей и экспериментальной физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 11
Срок действия программы: 2012-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
д-р физ.-мат. наук, профессор Плотников В.А.

Визирование РПД для исполнения в очередном учебном году

Рабочая программа пересмотрена, обсуждена и одобрена для
исполнения в 2020-2021 учебном году на заседании кафедры

Кафедра общей и экспериментальной физики

Протокол от 15.06.2020 г. № 11
Заведующий кафедрой д-р физ.-мат. наук, профессор Плотников В.А.

1. Цели освоения дисциплины

1.1.Целью преподавания дисциплины является ознакомление студентов с основными методами и техническими приемами цифровой фильтрации, обработки и преобразований информационных данных в современных информационных системах регистрации, накопления, обработки и представления данных, изучение методов реализации в информационных системах и на современных персональных компьютерах эффективных алгоритмов преобразования и анализа информационных данных.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ПК-2: способностью проводить научные исследования в избранной области экспериментальных и (или) теоретических физических исследований с помощью современной приборной базы (в том числе сложного физического оборудования) и информационных технологий с учетом отечественного и зарубежного опыта
ОПК-5: способностью использовать основные методы, способы и средства получения, хранения, переработки информации и навыки работы с компьютером как со средством управления информацией
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.основные виды цифровых фильтров, методы их анализа и синтеза; особенности цифровой фильтрации информации; основные методы статистической обработки данных; спектральный анализ сигналов; вейвлетные преобразования сигналов; методы децимации и интерполяции информационных данных; методы деконволюции и сжатия сигналов; оптимальные методы выделения информации при больших уровнях шумов; адаптивные методы фильтрации информации; системы преобразования информационных сигналов, классические приложения преобразования информационных данных
3.2.Уметь:
3.2.1.определять параметры линейных систем регистрации и формирования результатов наблюдений и выполнять классические преобразования данных; моделировать процессы регистрации данных и их обработки; оценивать корректность данных и производить их частотный анализ; определять параметры цифровых фильтров, выполнять расчеты цифровых фильтров и цифровую фильтрацию результатов наблюдений; выполнять расчеты фильтров деконволюции и применять их для решения задач геофизики; выполнять обработку результатов измерений с помощью программных пакетов общего и специального назначения; оформлять результаты обработки информационных данных
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.представлением о методах и технических приемах цифровой фильтрации, обработки и преобразований информационных данных в современных информационных системах регистрации, накопления, обработки и представления данных, о реализации в информационных системах и на современных персональных компьютерах эффективных алгоритмов преобразования и анализа информационных данных

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1.
1.1. Введение в цифровую обработку сигналов. Цифровые сигналы. Обработка цифровых сигналов Лекции 5 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.2. Каузальные нерекурсивные цифровые фильтры Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.3. Функциональные преобразования сигналов. Операции цифровой обработки Лекции 6 1 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.4. Корреляционные параметры фильтрации Лабораторные 6 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.5. Цифровые фильтры обработки одномерных сигналов. Нерекурсивные и рекурсивные цифровые фильтры Лекции 6 1 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.6. Симметричные двусторонние НЦФ Лабораторные 6 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.7. Устойчивость фильтров. Частотные характеристики фильтров. Фазовая и групповая задержка сигналов. Структурные схемы цифровых фильтров Лекции 6 1 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.8. Сглаживание данных методом наименьших квадратов Лабораторные 6 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.9. Фильтрация случайных сигналов. Сохранение природы сигнала. Математическое ожидание Лекции 6 1 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л1.4, Л2.1
1.10. Разностные операторы НЦФ Лабораторные 6 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л2.1
1.11. Нерекурсивные частотные цифровые фильтры. Лекции 6 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.12. Разностные операторы дифференцирования Лабораторные 6 8 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.4, Л2.1
1.13. Конструирование и расчет печатных плат. Лекции 6 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.14. Весовые функции Лабораторные 6 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.15. Изучение механизмов переноса лекарственных веществ в биоткани человека методом электрофореза Лекции 6 1 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.16. Нерекурсивные полосовые фильтры Лабораторные 6 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.17. Аппаратура для лечения постоянным током Лекции 6 1 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.3, Л2.1
1.18. Рекурсивные цифровые фильтры Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.19. Примеры построения устройств формирования, обработки и передачи биомедицинской информации на основе микропроцессорных устройств и микроконтроллеров Лекции 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.3, Л1.4, Л2.1
1.20. Низкочастотный цифровой фильтр Баттеруорта Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.4, Л2.1
1.21. Основные направления развития БТС, отражающие тенденции и проблемы совершенствования медико- биологических и экологических исследований. Лекции 5 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л1.4, Л2.1
1.22. Высокочастотный цифровой фильтр Баттеруорта Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л1.4, Л2.1
1.23. Биотехнические инфраструктуры. Жизненный цикл и старение технических систем. Механотерапии. Биофизические нанотехнологии. Молекулярное узнавание Лекции 5 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л2.1
1.24. Полосовой цифровой фильтр Баттеруорта Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.25. Расчет RC- RL-цепей Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.26. Оптимальные линейные цифровые фильтры Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л2.1
1.27. Оптимальный фильтр обнаружения сигналов Лабораторные 5 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.4, Л2.1
1.28. Фильтры деконволюции Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л1.4, Л2.1
1.29. Оптимальные фильтры деконволюции Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л1.4, Л2.1
1.30. Оценка статистических параметров шумов в сигналах Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л1.4, Л2.1
1.31. Адаптивная очистка произвольных сигналов от шумов Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л1.2, Л1.3, Л1.4, Л2.1
1.32. Корреляционное согласование массивов по аргументам при подготовке к обработке Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.33. Рекурсивная режекция и селекция массивов цифровых данных Лабораторные 5 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.34. Критерии построения. Сам. работа 5 6 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.35. Фильтр Колмогорова-Винера Сам. работа 5 6 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.36. Система линейных уравнений фильтра Сам. работа 5 6 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.37. Частотная характеристика Сам. работа 5 6 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.38. Эффективность оптимального фильтра Сам. работа 5 6 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.39. Фильтры прогнозирования и запаздывания Сам. работа 5 8 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.40. Оптимальные цифровые фильтры сжатия Сам. работа 5 10 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.41. Оптимальный фильтр обнаружения сигналов. Сам. работа 5 6 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.42. Устойчивость фильтров деконволюции Сам. работа 5 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.43. Согласованный фильтр Сам. работа 5 6 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.44. Оптимальные фильтры деконволюции Сам. работа 6 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.45. Рекурсивная деконволюция сигналов Сам. работа 6 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.46. Фильтры сжатия сигналов Сам. работа 6 8 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.47. Аппроксимация сигналов и функций Сам. работа 6 8 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.48. Аппроксимация сигналов и функций Сам. работа 6 8 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.49. Сплайновая аппроксимация Сам. работа 6 8 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.50. Спектральный метод Сам. работа 6 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.51. Методика аппроксимации эмпирических данных Сам. работа 6 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.52. Принцип фильтрации. Сам. работа 6 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.53. Одномерные медианные фильтры Сам. работа 6 4 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.54. Достоинства и недостатки медианных фильтров Сам. работа 6 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.55. Медианная фильтрация комбинированных помех Сам. работа 6 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.56. Очистка сигналов от квазидетерминированного шума. Сам. работа 6 2 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.57. Коррекция яркости и контрастности Сам. работа 6 1 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.58. Основы вейвлетного преобразования сигналов Сам. работа 6 1 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.59. Принцип преобразования. Сам. работа 6 1 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1
1.60. Вейвлетный спектр Сам. работа 6 1 ОПК-5, ПК-2 Л1.1, Л2.1

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания
Билет №1
1 Метод быстрого преобразования Фурье.
2 Преобразование Уолша-Адамара, упорядоченное по Адамару.

Билет №2
1 Преобразование Уолша-Адамара, упорядоченное по Уолшу.
2 Дискретизация сигналов.

Билет №3
1 Квантование сигналов по уровню.
2 Прямой метод вычисления дискретного преобразования Фурье. Алгоритм Герцеля.

Билет №4
1 Быстрое преобразование Уолша-Адамара, упорядоченное по Адамару.
2 Функции Радемахера и Хаара.

Билет №5
1 Вывод формул быстрого преобразования Фурье.
2 Алгоритм Винограда вычисления дискретного преобразования Фурье.
5.2. Темы письменных работ (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
1. Задачи спектрального анализа сложных сигналов, решаемых с использованием программы быстрого преобразования Фурье.
2. Провести сравнительный анализ эффективности преобразований Уолша-Адамара, упорядоченного по Адамару и преобразования Уолша-Адамара, упорядоченного по Уолшу.
3. Провести сравнительный анализ эффективности методов обработки пространственных объектов типа «точка» и «полилиния».
5.3. Фонд оценочных средств
см. приложение (ФОС)
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 Басараб М.А., Волосюк В.К., Горячкин О.В. Цифровая обработка сигналов и изображений в радиофизических приложениях: монография М.: ООО Издательская фирма "Физико-математическая литература", 2007 https://elibrary.ru/item.asp?id=21326290
Л1.2 Федосов В.П., Нестеренко А.К. Цифровая обработка сигналов в LabVIEW: учеб. Пособие: Пособие , https://e.lanbook.com/book/1090#book_name
Л1.3 Е.Н. Симонов ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В РАДИОНАВИГАЦИИ КАК ОБРАТНАЯ НЕКОРРЕКТНАЯ ЗАДАЧА С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ РЕГУЛЯРИЗАЦИИ: Пособие Лань, 2015 https://e.lanbook.com/reader/journalArticle/224693/#1
Л1.4 Л.Г, Севердлиг Методика автоматической калибровки при обработке лидарных сигналов упругого обратного рассеяния: Пособие Лань, 2017 https://e.lanbook.com/reader/journalArticle/352614/#1
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 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 http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785941201457.html
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 Основы цифровой обработки сигналов, автор Дмитриев С.Ф. https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=4333
6.3. Перечень программного обеспечения
6.4. Перечень информационных справочных систем
Программное обеспечение операционная система семейств Windows/Unix; приложения виртуальных машин Innotek VirtualBox и др.; антивирусные программы: Avast, Avira AntiVir и др. диспетчеры архивов: 7-zip и др.; файл-менеджеры: Far, Unread Commander и др.; офисный пакет Microsort Office, включающий приложения: о текстовый процессор Word, о табличный процессор Excel, о СУБД Access,
программа создания презентаций PowerPoint, о программа создания печатной продукции Publisher и др. пакеты для символьных вычислений: MathCAD, Maxima и др.; пакеты компьютерной графики: Photoshop.

7. Материально-техническое обеспечение дисциплины

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
404К лаборатория информационных технологий - компьютерный класс - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 13 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска маркерная - 1 шт.; компьютеры: марка DEPO модель Neos 260 - 13 единиц
419К лаборатория информационных технологий - компьютерный класс - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации; Учебная мебель на 17 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доска маркерная - 1 шт.; компьютеры: NAIO Corp Z520, НЭТА - 4 in - 13 ед.
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

см. приложение (ФОС)