УТВЕРЖДАЮ
Директор
Института кибернетики
«___»_____________2014 г.
БАЗОВАЯ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ
Направление ООП 09.03.01 – Информатика и вычислительная техника
Профиль подготовки
Информационно-коммуникационные технологии
Квалификация (степень) бакалавр
Базовый учебный план приема 2014г.
Курс 4 семестр 7
Количество кредитов 6
Код дисциплины Б1.В2.5
Виды учебной деятельности | Временной ресурс по очной форме обучения |
Лекции, ч | 32 |
Практические занятия, ч | 16 |
Лабораторные занятия, ч | 32 |
Аудиторные занятия, ч | 89 |
Самостоятельная работа, ч | 136 |
ИТОГО, ч | 216 |
Вид промежуточной аттестации экзамен
Обеспечивающее подразделение каф. ИПС
Заведующий кафедрой ________________
(ФИО)
Руководитель ООП __________________ _
(ФИО)
Преподаватель ___________________
(ФИО)
2014г.
1. Цели освоения модуля (дисциплины)
Цель данной дисциплины – дать систематический обзор методов и принципов организации и оперирования большими объемами данных с применением современных информационных средств и технологий.
Поставленные цели полностью соответствуют целям (Ц1-Ц5) ООП.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Цифровая обработка сигналов» относится к циклу Б.1.В2 Информационно-коммуникационные технологии
Дисциплине «Цифровая обработка сигналов» предшествует освоение дисциплин (ПРЕРЕКВИЗИТЫ):
· Математика.
· Информатика.
· Вычислительная математика.
Содержание разделов дисциплины «ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ» согласовано с содержанием дисциплин, изучаемых параллельно (КОРЕКВИЗИТЫ):
· Электроника.
· Математические методы в радиосвязи.
· Методы и системы обработки данных.
3. Результаты освоения дисциплины
В соответствии с требованиями ООП освоение дисциплины (модуля) направлено на формирование у студентов следующих компетенций (результатов обучения), в т. ч. в соответствии с ФГОС:
Таблица 1
Составляющие результатов обучения, которые будут получены при изучении данной дисциплины
Результаты обучения (Р2, (ОК-1, 2, 9; ПК-2, 16, 17) | Составляющие результатов обучения | ||||
З.2.2 | Знания преобразования сигналов при цифровой обработке и связанные с ними искажения и погрешности; алгоритмы цифровой фильтрации и спектрального анализа сигналов; методы синтеза цифровых фильтров и оценки точности ЦОС; общие принципы и средства реализации ЦОС;· основные применения ЦОС | У.2.2 | Умения обоснованно оценить необходимые параметры дискретизации и квантования; выбрать наиболее эффективный алгоритм обработки; выполнить синтез цифрового фильтра на ЭВМ; определить необходимую разрядность процессора ЦОС, исходя из требуемой точности обработки; промоделировать алгоритм обработки на ЭВМ; реализовать ЦОС на современной элементной базе с использованием средств автоматизации проектирования аппаратного и программного обеспечения | В.2.2 | Владение Опытом современной элементной базе с использованием средств автоматизации проектирования аппаратного и программного обеспечения |
(Указываются планируемые результаты (1…n) освоения модуля (дисциплины) и их составляющие (знания, умения, опыт, компетенции), полученные в результате декомпозиции результатов обучения по основной образовательной программе (ООП, раздел 6, табл. 7) применительно к данной дисциплине)
В результате освоения дисциплины студентом должны быть достигнуты следующие результаты:
Таблица 2
Планируемые результаты освоения дисциплины (модуля)
№ п/п | Результат |
РД1 | Знать основы теории дискретных сигналов и систем |
РД2 | Проводить анализ сигналов с помощью корреляционной функции |
РД3 | использовать прикладные программы для анализа сигналов |
(Формулируются преподавателем на основании таблицы 1)
4. Структура и содержание дисциплины
Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ
Роль и место цифровой обработки сигналов в современной радиотехнике. Методы и средства ЦОС. Логическая структура курса.
Лаб. работа №1. Тех. безопасности. Знакомство с системой MathCad.
Раздел 2. Основы анализа сигналов.
Понятие сигнала. Системы обработки сигналов. Классификация сигналов. Энергия и мощность сигнала. Ортогональные преобразования при ЦОС. Ряд Фурье. Примеры разложения в ряд Фурье. Преобразование Фурье. Примеры расчёта преобразования Фурье. Свойства преобразования Фурье. Преобразование аналоговых сигналов в цифровые.
Лаб. работа №2. Прямое и обратное преобразование Фурье.
Раздел 3. Корреляционный анализ
Корреляционная функция. Взаимная корреляционная функция. Связь между корреляционными функциями и спектрами сигналов. Энергетические расчёты в спектральной области.
Лаб. работа №3. Вычисление корреляционной функции и энергетического спектра сигналов
Раздел 4. Сигналы и их преобразования при цифровой обработке
Общая структура системы цифровой обработки аналоговых сигналов. Дискретизация сигналов по времени. Математические модели дискретных сигналов. Квантование сигнала по уровню и кодирование, математические модели квантования и цифрового кодирования. Условия выбора разрядности АЦП. Условия математической адекватности цифрового и дискретного сигналов. Преобразование сигналов из цифровой формы в аналоговую.
Перечень лабораторных работ по разделу:
Лаб. работа №4. Выбор шага дискретизации. Восстановление сигнала.
Раздел 5. Фурье – представление временных последовательностей
Спектр мощности, амплитудный и фазовый спектры, вычисляемые через ДПФ. Обзор методов вычисления ДПФ. Вывод формул БПФ. Классификация алгоритмов БПФ. Алгоритм БПФ с прореживанием по времени по основанию 2. Алгоритм БПФ с прореживанием по частоте по основанию 2. Граф-схемы алгоритмов вычисления БПФ.
Лаб. работа №5. Фурье – представление временных последовательностей.
Раздел 6. Применение метода БПФ.
Вычисление корреляционной последовательности. Вычисление свертки.
Двухмерное ДПФ.
Лаб. работа №6. Вычисление корреляционной последовательности. Вычисление свертки.
Раздел 7. Класс несинусоидальных ортогональных функций.
Непрерывные и дискретные несинусоидальные функции. Функции Радемахера и Хаара. Функции Уолша. Преобразование Уолша-Адамара.
Лаб. работа №7. Представление сигналов в виде ряда Уолша.
Раздел 8. Применение ортогональных преобразований.
Винеровская фильтрация.
Лаб. работа №8. Линейные фильтры. RC-фильтр. Усреднение. Медианный фильтр.
Заключение.
Особенности прикладных задач цифровой обработки изображений, речевых, радиолокационных и биомедицинских сигналов. Перспективы и тенденции развития ЦОС.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение
самостоятельной работы студентов
6.1. Виды и формы самостоятельной работы
Самостоятельная работа студентов включает текущую и творческую проблемно-ориентированную самостоятельную работу (ТСР).
Текущая СРС направлена на углубление и закрепление знаний студента, развитие практических умений и включает:
● работа с лекционным материалом, поиск и обзор литературы и электронных источников информации по индивидуально заданной проблеме курса;
● выполнение домашних заданий, домашних контрольных работ;
● опережающая самостоятельная работа;
● подготовка к лабораторным работам, к практическим и семинарским занятиям;
● подготовка к контрольной работе и коллоквиуму, к экзамену.
Творческая самостоятельная работа включает:
● поиск, анализ, структурирование и презентация информации;
● выполнение расчетно-графических работ;
● исследовательская работа и участие в научных студенческих конференциях, семинарах и олимпиадах.
6.3. Контроль самостоятельной работы
Оценка результатов самостоятельной работы организуется следующим образом:
● Контроль результатов самостоятельной работы осуществляется при проведении письменного коллоквиума по проверке уровня усвоения студентом лекционного материала и проверкой уровня теоретических знаний и практических навыков студента при выполнении им лабораторных работ
● …
7. Средства текущей и промежуточной оценки качества освоения дисциплины
Оценка качества освоения дисциплины производится по результатам следующих контролирующих мероприятий:
Контролирующие мероприятия | Результаты обучения по дисциплине |
выполнение и защита лабораторных работ и практических заданий | РД1-РД3 |
защита индивидуальных заданий, презентации по тематике исследований во время проведения конференц-недели | РД1-РД3 |
экзамен | РД1-РД3 |
Для оценки качества освоения дисциплины при проведении контролирующих мероприятий предусмотрены следующие средства (фонд оценочных средств) (с примерами):
1. контрольные вопросы, задаваемых при выполнении и защитах лабораторных работ:
· Разложение функции в ряд Фурье. Преобразование Фурье. Связь между этими преобразованиями.
· Линейная фильтрация методом скользящего среднего
· Гармонические, периодические и непериодические сигналы. Гармонический анализ сигналов
2. вопросы, выносимые на экзамены и зачеты и др.
· Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы.
· Квантование по уровню и по времени сигналов. Теорема Котельникова. Особенности квантования.
· Спектральная функция. Амплитудный спектр.
· Разложение функции в ряд Фурье. Преобразование Фурье. Связь между этими преобразованиями.
· Представление сигналов с помощью ортогональных преобразований.
· Фурье – представление временных последовательностей. Свойства ДПФ.
ЗАДАНИЯ
Разложить заданную функцию в ряд Фурье на заданном интервале.
1. 
;
2. Последовательность прямоугольных импульсов с амплитудой А, длительностью t и периодом повторения Т.
3. Последовательность прямоугольных импульсов со скважностью, равной двум (длительность импульсов и промежутков между ними равны).
4. Односторонний экспоненциальный импульс.
5. Гауссов импульс.
6. 
.
Определить шаг дискретизации функции. Использовать разложение в ряд Фурье.
1.;
2. Прямоугольный сигнал амплитудой А и длительностью Т.
3. Сигнал sin(x)/x.
Определить шаг дискретизации, используя преобразование Фурье.
.
f(t)=cos(wt)*exp(-kt).
Найти свёртку сигналов
1. Двух прямоугольных сигналов.
2. Прямоугольного и треугольного сигналов.
3. Двух треугольных сигналов.
4. .
6. Односторонний экспоненциальный импульс.
Дифференцирование и интегрирование сигналов
1. Задана случайная функция
Y(t) = X SIN(t )+ t,
где Х случайная величина с МХ = 2.3, DX = 1.3. Найти числовые характеристики MV, DV, KV(t1, t2 ) случайной функции
V(t) = 
2. Задана случайная функция
Y(t) = X℮ - t + 3,
где Х случайная величина с МХ = 3, DX = 1.2. Найти числовые характеристики MV, DV, KV(t1, t2) случайной функции
V(t) = 
3. Задана случайная функция
Y = X SIN(t),
где Х случайная величина с МХ = 3, DX = 1.5. Найти числовые характеристики MV, DV, KV(t1, t 2) случайной функции
V =dY/dt.
4. Задана случайная функция
Y = X*COS(2t),
где Х случайная величина с МХ = 3, DX = 1.5. Найти числовые характеристики MV, DV, KV(t1, t 2) случайной функции
V = dY/dt.
5.Задана случайная функция
Y =X*COS(t),
где Х случайная величина с МХ = 3, DX = 1.5. Найти числовые характеристики MV, DV, KV (t1, t2) случайной функции
V =
6. Задана случайная функция
Y = X е-5t,
где Х случайная величина с МХ = 5, DX = 1.7. Найти числовые характеристики MV, DV, KV(t1, t 2) случайной функции
V = dY/dt.
Задачи 1. На вход интегратора поступает случайная функция x(t), математическое ожидание которой m(t)=4t+5, а корреляционная функция K(t1,t2)=cost1 cost2. Найти характеристики на выходе системы.
Задача. На вход динамической системы, описываемой оператором Y(t)=dX/dt, поступает случайная функция X(t), математическое ожидание которой mx(t)=Asint, а корреляционная функция Kx(t1,t2)=
, D – const. Определить характеристики на выходе системы.
Задачи. На RC-цепочку подаётся случайное напряжение X(t) с характеристиками mx(t)=2t, Kx(t1,t2)=4t1t2. Найти математическое ожидание, автокорреляционную функцию и дисперсию напряжения на выходе RC-цепочки.
Задачи. На вход динамической системы, описываемой оператором Y(t)=dX/dt, поступает случайная функция X(t), математическое ожидание которой mx(t)=Asint, а корреляционная функция Kx(t1,t2)=, D – const. Определить характеристики на выходе системы.
Найти корреляционную функцию
1. Двух прямоугольных сигналов.
2. Прямоугольного и симметричного треугольного сигналов.
3. Двух симметричных треугольных сигналов.
4. .
5. Двух несимметричных треугольных сигналов.
6. Односторонний экспоненциальный импульс.
7. Двусторонний экспоненциальный импульс.
Найти мощность, энергию среднеквадратичное значение сигнала на заданном интервале
Определить выходной сигнал на выходе RC-фильтра. На вход поступает аддитивная смесь детерминированного и "белого" шума. Для прямоугольного сигнала определить оптимальную полосу пропускания фильтра, используя критерий отношение сигнал/шум.
НА НАХОЖДЕНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ ФУНКЦИЙ И СПЕКТРАЛЬНЫХ ПЛОТНОСТЕЙ
НАЙТИ СПЕКТРАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ И ПОСТРОИТЬ АМПЛИТУДНЫЕ СПЕКТРЫ СЛЕДУЮЩИХ ФУНКЦИЙ
8. Рейтинг качества освоения дисциплины (модуля)
Оценка качества освоения дисциплины в ходе текущей и промежуточной аттестации обучающихся осуществляется в соответствии с «Руководящими материалами по текущему контролю успеваемости, промежуточной и итоговой аттестации студентов Томского политехнического университета», утвержденными приказом ректора № 77/од от 01.01.2001 г.
В соответствии с «Календарным планом изучения дисциплины»:
- текущая аттестация (оценка качества усвоения теоретического материала (ответы на вопросы и др.) и результаты практической деятельности (решение задач, выполнение заданий, решение проблем и др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), к моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 33 баллов);
- промежуточная аттестация (экзамен, зачет) производится в конце семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), на экзамене (зачете) студент должен набрать не менее 22 баллов).
Итоговый рейтинг по дисциплине определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
В соответствии с «Календарным планом выполнения курсового проекта (работы)»:
- текущая аттестация (оценка качества выполнения разделов и др.) производится в течение семестра (оценивается в баллах (максимально 40 баллов), к моменту завершения семестра студент должен набрать не менее 22 баллов);
- промежуточная аттестация (защита проекта (работы)) производится в конце семестра (оценивается в баллах (максимально 60 баллов), по результатам защиты студент должен набрать не менее 33 баллов).
Итоговый рейтинг выполнения курсового проекта (работы) определяется суммированием баллов, полученных в ходе текущей и промежуточной аттестаций. Максимальный итоговый рейтинг соответствует 100 баллам.
(при наличии курсового проекта)
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература:
1. Сергиенко, Цифровая обработка сигналов: учебное пособие: — Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2013. – с.
2. Солонина, Цифровая обработка сигналов и MATLAB. – Санкт-Петербург: БХВ-Петербург, 2013.
3. Давыдов обработка сигналов. Тематические лекции: Учебное пособие в электронной форме. – Екатеринбург, УГГУ, ИГиГ, каф. ГИН. – http://www. prodav. narod. ru/dsp/index. html.
Дополнительная литература:
4. Федосов обработка звуковых и вибросигналов в LabVIEW : / . – Москва: ДМК Пресс, 2010. – 1291 с.
5. Оппенгейм, А. Цифровая обработка сигналов. Издание 3-е, исправленное / А. Оппенгейм, Р. Шафер. – Москва: Техносфера, 2012. — 1048 с. — Доступ только с авторизованных компьютеров.
http://ibooks. ru/reading. php? short=1&isbn=978-5-94836-329-5
Internet–ресурсы (в т. ч. Перечень мировых библиотечных ресурсов):
1. Давыдов обработка сигналов. Тематические лекции: Учебное пособие в электронной форме. – Екатеринбург, УГГУ, ИГиГ, каф. ГИН. – http://www. prodav. narod. ru/dsp/index. html.
2. Давыдов сигналов и систем. http://prodav. narod. ru/signals/index. html
3. Черненко фильтр. - http://www. logis-pro. /math_power_medianfilter_ru. html.
Используемое программное обеспечение:
1. Прикладные программы обработки сигналов - http://prodav. narod. ru/program/index. html.
2. Система MathCad.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Указывается материально-техническое обеспечение дисциплины: технические средства, лабораторное оборудование и др.
№ п/п | Наименование (компьютерные классы, учебные лаборатории, оборудование) | Корпус, ауд., количество установок |
1 | Компьютерный класс | Компьютеры Pentium Core2 1,6GHz (8 шт.), мониторы LCD 17" Acer (8 шт.) Сетевой коммутатор CNet 16 ports |
2 | Компьютерный класс, компьютеры Pentium Core2 1,6GHz (16 шт.), мониторы LCD 17" Acer (16 шт.) Сетевой коммутатор CNet 16 ports, | Ул. Советская, 84/3, Ауд. 407а, 407б-ИК |
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС по направлению 09.03.01 – Информатика и вычислительная техника и профилю подготовки Информационно-коммуникационные технологии.
Программа одобрена на заседании кафедры информатики и проектирования систем
(протокол № 1 от «1» 09 2014 г.).
Автор доцент
Рецензент доцент Н.
