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

Цифровая обработка сигналов
рабочая программа дисциплины

Закреплена за кафедройКафедра вычислительной техники и электроники
Направление подготовки09.03.01. Информатика и вычислительная техника
ПрофильИнформатика и вычислительная техника
Форма обученияОчная
Общая трудоемкость3 ЗЕТ
Учебный план09_03_01_ИиВТ-1-2020
Часов по учебному плану 108
в том числе:
аудиторные занятия 42
самостоятельная работа 66
Виды контроля по семестрам
диф. зачеты: 3

Распределение часов по семестрам

Курс (семестр) 2 (3) Итого
Недель 18
Вид занятий УПРПДУПРПД
Лекции 18 18 18 18
Лабораторные 24 24 24 24
Сам. работа 66 51 66 51
Итого 108 93 108 93

Программу составил(и):
старший преподаватель, Скороглядов В.В.

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

Рабочая программа дисциплины
Цифровая обработка сигналов

разработана в соответствии с ФГОС:
Федеральный государственный образовательный стандарт высшего образования по направлению подготовки 09.03.01 Информатика и вычислительная техника (уровень бакалавриата) (приказ Минобрнауки России от 19.09.2017г. №929)

составлена на основании учебного плана:
09.03.01 Информатика и вычислительная техника
утвержденного учёным советом вуза от 30.06.2020 протокол № 6.

Рабочая программа одобрена на заседании кафедры
Кафедра вычислительной техники и электроники

Протокол от 08.06.2020 г. № 79/19-20
Срок действия программы: 2020-2021 уч. г.

Заведующий кафедрой
к.ф.-м.н., Пашнев Владимир Валентинович, доц., зав. кафедрой "Вычислительной техники и электроники"

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 вычислительной техники и электроники

Протокол от 08.06.2020 г. № 79/19-20
Заведующий кафедрой к.ф.-м.н., Пашнев Владимир Валентинович, доц., зав. кафедрой "Вычислительной техники и электроники"

1. Цели освоения дисциплины

1.1.Цель изучения дисциплины – ознакомить студентов с теоретическими основами цифровой обработки сигналов (ЦОС), а также сформировать у будущих специалистов теоретических знания и практических навыки по использованию современных методов ЦОС и программных средств, включающих в себя функции ЦОС.
Основными задачами изучения дисциплины «Цифровая обработка сигналов» являются:
- овладение фундаментальными знаниями по цифровой обработке сигналов;
- овладение технологиями и алгоритмами цифровой обработки сигналов;
- приобретение практических навыков синтеза цифровых фильтров с заданными характеристиками.

2. Место дисциплины в структуре ООП

Цикл (раздел) ООП: Б1.В.01.ДВ.01

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ПК-11: Способен организовать выполнение и проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.Об основных тенденциях развития современных систем цифровой обработки сигналов.
О принципах проектирования и разработки устройств цифровой обработки сигналов.
3.2.Уметь:
3.2.1.Знать:
Теорию линейных дискретных систем и дискретных сигналов;
Методы синтеза цифровых фильтров;
Основные операции, производимые над цифровыми сигналами.
Уметь:
Синтезировать цифровые фильтры с заданными характеристиками, используя классические методы синтеза.

3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.Иметь навыки работы с программными пакетами, включающими в себя функции цифровой обработки сигналов.

4. Структура и содержание дисциплины

Код занятия Наименование разделов и тем Вид занятия Семестр Часов Компетенции Литература
Раздел 1. Вводные понятия. Дискретные сигналы. Дискретное преобразование Фурье, быстрое преобразование Фурье.
1.1. Понятие дискретного сигнала. Способы получения дискретных сигналов. Теорема Котельникова.Соотношение между спектрами дискретных и непрерывных сигналов. Эффект маскировки частот Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) и его свойства. Быстрое преобразование Фурье Лекции 3 2 Л1.1, Л2.1
1.2. Другие быстрые алгоритмы вычисления ДПФ. Обобщенный подход к алгоритмам вычисления ДПФ Сам. работа 3 2 Л1.1, Л2.1
Раздел 2. Линейные дискретные системы и их характеристики
2.1. Понятие линейной дискретной системы. Рекурсивные и нерекурсивные системы. Импульсная и частотная характеристики, передаточная функция Устойчивость и реализуемость линейных дискретных систем. Критерии устойчивости линейных дискретных систем. Лекции 3 2 Л1.1, Л2.1
2.2. Дополнительные критерии устойчивости линейных дискретных систем. Соединения фильтров, передаточные функции соединения фильтров. Сам. работа 3 2 Л1.1, Л2.1
Раздел 3. Методы синтеза цифровых фильтров
3.1. Постановка задачи синтеза КИХ-фильтра. Требования к амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристикам. Однородный фильтр. Субоптимальные методы синтеза Оптимальный фильтр (среднеквадратический критерий аппрокисмации. Особенности проектирования БИХ-фильтров. Постановка задачи. Фильтры-прототипы и прямые методы синтеза. Билинейное преобразование. Лекции 3 2 Л1.1, Л2.1
3.2. Равномерный критерий аппроксимации, алгоритм Ремеза. Обобщенное билинейное преобразование. Сам. работа 3 2 Л1.1, Л2.1
Раздел 4. Эффекты квантования и конечной разрядности
4.1. Шум квантования. Неравномерное квантование. Квантование и масштабирование коэффициентов цифровых фильтров. Округление промежуточных результатов. Лекции 3 4 Л1.1, Л2.1
4.2. Предельные циклы. Сам. работа 3 2 Л1.1, Л2.1
Раздел 5. Некоторые операции над цифровыми сигналами (перенос спектра, передискретизация)
5.1. Перенос спектра цифрового сигнала и формирование сигнала с односторонним спектром Увеличение и уменьшение частоты дискретизации (интерполяция и прореживание), передискретизация. Лекции 3 4 Л1.1, Л2.1
5.2. Дискретное преобразование Гильберта. Сам. работа 3 2 Л1.1, Л2.1
Раздел 6. Цифровая обработка двумерных сигналов (изображений)
6.1. Представление и преобразование двумерных сигналов. Базовые операции. Двумерные линейные фильтры. Лекции 3 4 Л1.1, Л2.1
6.2. Цифровое сжатие видеосигналов. Стандарты MPEG. Сам. работа 3 2 Л1.1, Л2.1
Раздел 7. Лабораторный практикум
7.1. Лабораторная работа №1: «Дискретизация, эффект "маскировки" частот и восстановление дискретного сигнала» Лабораторные 3 2 Л1.1, Л2.1
7.2. Изучение эффекта маскировки частот. Интерполяция дискретного сигнала по теореме Котельникова. Сам. работа 3 3 Л1.1, Л2.1
7.3. Лабораторная работа №2: «Дискретное преобразование Фурье (ДПФ)» Лабораторные 3 2 Л1.1, Л2.1
7.4. Вычисление спектров заданных цифровых сигналов. Изучение циклического сдвига и его влияния на спектр сигнала. Изучение циклической свертки сигналов. Сам. работа 3 4 Л1.1, Л2.1
7.5. Лабораторная работа №3: «Свойства ДПФ» Лабораторные 3 2 Л1.1, Л2.1
7.6. Расчет теоретических АЧХ и сравнение их с практическими результатами. Построение фильтра верхних частот на основе фильтра нижних частот.Реализация триангулярного фильтра. Изучение работы однородного фильтра как подавителя белого шума. Сам. работа 3 4 Л1.1, Л2.1
7.7. Лабораторная работа №4: «Однородный КИХ-фильтр» Лабораторные 3 2 Л1.1, Л2.1
7.8. Синтез цифрового фильтра с заданными характеристиками. Сравнение характеристик фильтров до и после взвешивания. Сам. работа 3 4 Л1.1, Л2.1
7.9. Лабораторная работа №5: «Метод оконного взвешивания» Лабораторные 3 4 Л1.1, Л2.1
7.10. Предварительные расчеты. Синтез цифрового фильтра с заданными характеристиками. Сам. работа 3 2 Л1.1, Л2.1
7.11. Лабораторная работа №6: «Метод наименьших квадратов» Лабораторные 3 4 Л1.1, Л2.1
7.12. Предварительные расчеты. Синтез цифрового фильтра с заданными характеристиками. Изучения влияния эффектов округления коэффициентов на характеристики фильтра. Сам. работа 3 2 Л1.1, Л2.1
7.13. Лабораторная работа №7: «Синтез цифровых БИХ-фильтров на основе аналоговых прототипов» Лабораторные 3 4 Л1.1, Л2.1
7.14. Моделирование линии связи с частотным разделением каналов Сам. работа 3 4 Л1.1, Л2.1
7.15. Реализация алгоритма переноса спектра. Реализация формирования сигнала с односторонним спектром. Сам. работа 3 4 Л1.1, Л2.1
7.16. Лабораторная работа №9: «Изменение частоты дискретизации» Лабораторные 3 4 Л1.1, Л2.1
7.17. Выбор цифрового фильтра с требуемыми характеристиками и его синтез. Передискретизация сигнала с заданными параметрами. Сам. работа 3 4 Л1.1, Л2.1
7.18. Влияние эффекта квантования на реализацию цифровых фильтров. Сам. работа 3 4 Л1.1, Л2.1
7.19. «Двумерные линейные фильтры» Изучение работы линейных фильтров. Нелинейная обработка изображений Сам. работа 3 4 Л1.1, Л2.1
Раздел 8. зачет с оценкой

5. Фонд оценочных средств

5.1. Контрольные вопросы и задания
- Преобразование спектра сигнала при его дискретизации
- Z-преобразование и дискретное преобразование Фурье
- Быстрое преобразование Фурье
- Линейные дискретные системы и их характеристики
- Устойчивость и физическая реализуемость линейных дискретных систем
- Метод оконного взвешивания
- Оптимальные методы расчета фильтров
- Однородный и триангулярный фильтры
- Синтез БИХ-фильтров методом билинейного преобразования
- Операция переноса спектра
- Изменение частоты дискретизации
5.2. Темы письменных работ (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
Моделирование сигнала с частотным разделением каналов
Методы обнаружения сигналов
Согласованная фильтрация
Аналитические цифровые сигналы
Обобщенное билинейное преобразование
5.3. Фонд оценочных средств
в Приложении
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 Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: учеб. пособие для вузов СПб.[и др.]: Питер, 2007
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 С.Н. Воробьев Цифровая обработка сигналов: учебное пособие для вузов Acadimia, 2013
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети "Интернет"
Название Эл. адрес
Э1 Курс на Образовательном портале https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=6966
6.3. Перечень программного обеспечения
LibreOffice
Условия использования: https://ru.libreoffice.org/about-us/license/
7-zip
Условия использования: https://www.7-zip.org/license.txt
Visual Studio
Условия использования: https://code.visualstudio.com/license
Acrobat Reader
Условия использования: http://wwwimages.adobe.com/content/dam/Adobe/en/legal/servicetou/Acrobat_com_Additional_TOU-en_US-20140618_1200.pdf
Mozila FireFox
Условия использования: https://www.mozilla.org/en-US/about/legal/eula/
Chrome
Условия использования: http://www.chromium.org/chromium-os/licenses
Lazarus
Условия использования: http://wiki.lazarus.freepascal.org/Lazarus_Faq#Licensing
Microsoft Windows
6.4. Перечень информационных справочных систем
Электронная библиотечная система Алтайского государственного университета (http://elibrary.asu.ru/);

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)
209К лаборатория схемотехники и микропроцессорных систем - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 15 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доски меловые 1шт. компьютеры: марка Aquarius модель Cel-2533 - 2 единицы; внутрисхемный программатор-отладчик PICkit 3 - 5шт.; компьютер Парус 945 - 13шт.; монитор 15"LG Flatron; монитор 17"Samsung 793 MB; набор PICkit 3; паяльная станция -5шт.; плата оценочная DEO-Nano - 8шт.;системный блок Celeron 2400$/ методические указания по выполнению лабораторных работ: Разработка микропроцессорных систем на базе микроконтроллера PIC16F84; Микроконтроллеры семейства MCS; Методы кодирования и сжатия информации
208К лаборатория метрологии и электроники - учебная аудитория для проведения занятий семинарского типа (лабораторных и(или) практических); проведения групповых и индивидуальных консультаций, текущего контроля и промежуточной аттестации Учебная мебель на 15 посадочных мест; рабочее место преподавателя; доски меловые 1шт.; учебный стол-10 шт.; компьютеры: марка Aquarius модель Cel-2533 - 10 единиц; генератор GFG-8219A – 22 шт.; источник питания АТН-1023 – 25 шт.; микровольтметр ВМС-4; микровольтметр WMS-4; монитор 17"LCD Samsung 793 MB; мультиметр APPA-203 – 3 шт.; мультиметр APPA-207; осциллограф 211; осциллограф АСК-1052 – 8 шт.; осциллограф DS5152M; осциллограф АСК-1021 – 13 шт.;осциллограф-приставка двухканальный АСК-3116; паяльная станция АТР-1121 - 3 шт.; паяльная станция АТР-4302; принтер лазерный HP L J 1100; программное обеспечение АСК-3106-PO; стабилизатор 3218 - 2 шт.; учебный комплекс для проведения лабораторных работ по курсу " Микропроцессорные системы"
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
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

8. Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

Методические указания представлены в Приложении