ТЕОРИЯ И ТЕХНИКА РАДИОСИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Учебная программа дисциплины
Министерство образования и науки Российской Федерации
Владивостокский государственный университет экономики и сервиса
ТЕОРИЯ И ТЕХНИКА РАДИОСИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
И ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Учебная программа дисциплины
по специальности
210305.65 Средства радиоэлектронной борьбы
Владивосток
Издательство ВГУЭС
2014
ББК 32.841
Учебная программа дисциплины «Теория и техника радиосистем управления и передачи информации» составлена в соответствии с требованиями ГОС ВПО для студентов специальности 210305.65 Средства радиоэлектронной борьбы.
Составитель: , доцент кафедры электроники.
Утверждена на заседании кафедры электроники, протокол № 5 от 01.01.2001 г., редакция 2014 г. (заседание кафедры от 01.01.2001г., протокол № 8).
Рекомендована к изданию методическим советом Института информатики, инноваций и бизнес систем ВГУЭС.
© Издательство Владивостокский государственный университет экономики и сервиса, 2014
ВВЕДЕНИЕ
Острая нехватка инженеров-разработчиков существенно сдерживает прогресс в сфере высоких технологий. Требования к разработчикам постоянно растут, они должны владеть как теоретическими знаниями в области построения сложных современных систем, так и практическими навыками работы с программными пакетами и отладки аппаратуры в железе.
Для подготовки таких специалистов, в соответствии с требованиями ГОС ВПО, в учебный план специальности 210305.65 Средства радиоэлектронной борьбы включена дисциплина «Теория и техника радиосистем управления и передачи информации».
При изучении указанной дисциплины студенты получают основные понятия в области построения систем передачи информации и цифровой обработки сигналов, а также навыки работы с программным пакетом MatLab для расчета и моделирования, как указанных систем, так и цифровых фильтров.
1. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
1.1 Цели освоения учебной дисциплины
Целями освоения дисциплины «Теория и техника радиосистем управления и передачи информации» являются изучение основных принципов построения радиосистем управления и передачи данных, а также современных методов цифровой обработки сигналов и других цифровых потоков данных.
1.2 Связь с другими дисциплинами
Для освоения дисциплины «Теория и техника радиосистем управления и передачи информации» студент должен знать основные понятия и методы математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, технологию работы на персональном компьютере в современных информационных средах; уметь применять математические методы для решения практических задач, применять физические законы для решения практических задач, использовать стандартные пакеты прикладных программ для решения практических задач; владеть навыками решения дифференциальных и разностных уравнений, дифференциального и интегрального исчисления.
Дисциплина «Теория и техника радиосистем управления и передачи информации» базируется на освоении дисциплин «Основы теории цепей», «Радиотехнические цепи и сигналы». Читается параллельно с дисциплиной «Устройства записи и воспроизведения сигналов»
На основе дисциплины «Теория и техника радиосистем управления и передачи информации» базируется изучение дисциплины «Телекоммуникационные технологии и системы», «Защита аудио-виде0информационных каналов», производственная и технологическая практики.
1.3 Знания, умения и навыки, которые должен приобрести студент в результате изучения дисциплины
В результате изучения дисциплины студент должен знать:
- виды радиолокационных сигналов и особенности их распространения;
- объекты и задачи управления, контура управления;
- методы обмена информацией;
- основные типы современных и перспективных РЭС управления и передачи информации, и решаемые ими задачи и эффективность в различных условиях функционирования;
- о радиоинформации и методах ее аналоговой и цифровой обработки;
- об основных проблемах научно-технического развития теории и техники радиосистем управления и передачи информации;
Радиоинженер по средствам РЭБ должен уметь:
- использовать методы обмена информацией;
- использовать методы частотно-временной и цифровой обработки;
- использовать полученные знания для решения задач управления и наведения объектов.
1.4 Основные виды занятий и особенности их проведения
Объем и сроки изучения дисциплины:
Общая трудоемкость дисциплины составляет 80 часов. Из них 34 часа – аудиторной работы (17 часов лекций, 17 часов лабораторных работ), 46 часов – самостоятельной работы, зачет.
1.5 Объем и сроки изучения дисциплины
В соответствии с Положением о рейтинговой системе оценки успеваемости студентов во Владивостокском государственном университете экономики и сервиса в ходе изучения дисциплины предусматриваются следующие виды контроля знаний студентов: текущая и промежуточная (семестровая) аттестации.
Текущая аттестация студентов осуществляется по результатам оценки уровня компетенций в ходе проведения экспресс-контрольных работ на лекционных занятиях, оценки качества выполнения индивидуальных домашних заданий и активности студента на лабораторных занятиях, а также по результатам выполнения и качества защиты отчетов по лабораторным работам.
Дисциплина завершается зачетом
2. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
2.1 Темы лекций
Тема 1. Введение. Цели и задачи курса. Структура курса (1 час)
Смежные дисциплины: математика и матстатистика, цифровая техника и микропроцессоры, АЦП и ЦАП, радиоприемные и радиопередающие устройства.
Объекты и задачи управления. Автоматическое и автоматизированное управление. Передача команд и информации по каналам связи. Аналоговые и цифровые каналы связи. Построение систем управления на основе передачи команд и приема данных.
Цифровая обработка сигналов (ЦОС). Применение ЦОС в связи (фильтрация, мультиплексирование, сжатие, борьба с эхом); в обработке звука (запись и обработка музыки, реверберация, синтез и распознавание речи); в эхолокации (радары, сонары, отражательная сейсмология); в медицине (обработка ЭКГ, компьютерная томография).
Тема 2. Основные характеристики каналов связи (1 час)
Классификация каналов связи. Проводные, оптоволоконные и радиоканалы.
Сравнительные характеристики различных каналов связи. Полоса пропускания, помехозащищенность, скорость передачи данных и дальность связи.
Радиоканал. Узкополосная и широкополосная связь. Современные виды высокоскоростной передачи данных.
Методы повышения надежности каналов связи. Помехоустойчивое кодирование, восстановление ошибок. Шифрование данных.
Тема 3. Основные математические понятия в ЦОС (1 час)
Непрерывные, дискретные и квантованные сигналы
Временное и частотное представление сигналов
Тема 4. АЦП и ЦАП (2 часа)
Квантование и шум квантования. Выбор шага квантования.
Выбор интервала дискретизации. Теорема отсчетов (Котельникова, Шеннона-Найквиста).
Восстановление оцифрованного сигнала.
Аналоговые фильтры для АЦП и ЦАП. Различия в целях оптимизации фильтров Бесселя, Баттерворта, Чебышева.
Многоинтервальные АЦП и ЦАП.
Однобитное преобразование. Дельта - и Дельта-Сигма АЦП.
Тема 5. Линейные системы (2 часа)
Фундаментальные свойства линейных систем: масштабируемость (гомогенность), аддитивность и инвариантность к сдвигу.
Суперпозиция и декомпозиция (разложение).
Декомпозиция: импульсная, ступенчатая, Четная/нечетная. Понятие круговой симметрии.
Разложение Фурье.
Нелинейность и способы борьбы с ней.
Тема 6. Свертка (2 часа)
Дельта-функция и импульсный отклик.
Ядро фильтра. Процедура свертки. Примеры
Обсуждение алгоритма свертки по входному алгоритму и задание написать программу
Свертка по выходному алгоритму. Формула сверточного суммирования. Взвешенное суммирование.
Типичные импульсные отклики (повторитель, усилитель, линия задержки, ревербератор)
Дифференцирующие и интегрирующие цепи, рекурсивные вычисления.
ФНЧ, типичные импульсные отклики: экспонента, прямоугольный импульс и Sinc.
ФВЧ, взаимосвязь с импульсным откликом ФНЧ.
Свойства свертки: коммутативность, ассоциативность, дистрибутивность, переносимость линейных преобразований между входом и выходом. Центральная предельная теорема для свертки.
Тема 7. Дискретное преобразование Фурье (ДПФ) (2 часа)
Формулы для ДПФ. Прямое и обратное ДПФ. Связь и физический смысл амплитуды, фазы, синусной и косинусной составляющей.
Свойства ДПФ. Соответствие операций в частотной и временной областях. Периодичность ДПФ.
Связь импульсного отклика и частотной характеристики фильтра.
Тема 8. Связь сигналов в частотной и временной области (2 часа)
Дельта-функции. Дуальность ДПФ.
Прямоугольный сигнал и отсчетная функция (Sinc). Свойства отсчетной функции. Идеальный фильтр.
Треугольный сигнал. Гауссовский сигнал и Гауссова вспышка.
Эффект Гиббса.
Тема 9. Быстрое преобразование Фурье (2 часа)
Комплексные дискретные сигналы
Декомпозиция сигналов. Пересортировка с обратным порядком битов
Спектр одноточечного сигнала. Синтез полного спектра из одноточечных. Элементарная операция БПФ (бабочка). Схема БПФ
Программы БПФ. Сравнение времени и точности выполнения классического ДПФ и БПФ. Методы дальнейшего увеличения скорости БПФ.
Тема 10. Цифровые фильтры (2 часа)
Фильтры со скользящим средним. Оконные фильтры. БИХ-фильтры.
2.2 Перечень тем лабораторных занятий
Тема 1. Изучение программы MatLab (2 часа, работа с компьютером)
Вычисления в командной строке. Работа с массивами и матрицами. Вывод двухмерных и трехмерных графиков.
Тема 2. Генерация сигналов различной формы (4 часа, работа с компьютером)
Пример. Генерация прямоугольного сигнала из 5 периодов.
Работа с программами (m-файлами).
Построение графиков колебаний АМ и ЧМ сигналов.
Вычисление и вывод спектра.
Тема 3. Оконные фильтры, исследование эффекта Гиббса. (2 часа, работа с компьютером)
Разбиение окна вывода графиков на области.
Изучение особенностей логарифмирования спектра по амплитуде.
Исследование влияния наложения на временную диаграмму оконных функций разного вида на изменение спектра сигнала.
Тема 4. Проектирование цифровых фильтров с заданными параметрами и минимальным порядком. (4 часов, работа с компьютером)
Изучение инструмента FDATool из пакета MatLab.
Выбор частоты дискретизации на основе анализа технического задания.
Преобразование параметров техзадания в параметры программы FDATool.
Проектирование и сравнение характеристик КИХ-фильтров с различными видами аппроксимации ЧХ: равноволновой (equiripple), наименьших квадратов (least squares). Изучение особенностей БИХ-фильтров с аппроксимацией по Чебышеву. Изучение влияния точности вычислений на стабильность БИХ-фильтров.
Тема 5. Выделение сигнала из помех методами цифровой фильтрации. (5 часов, работа с компьютером)
Вывод полезного сигнала заданной формы с заданными параметрами модуляции.
Добавление к полезному сигналу помехи с заданными спектральными характеристиками.
Выбор и проектирование фильтра, выделяющего полезный сигнал на фоне помехи, на основе анализа спектральных характеристик сигнала и помехи.
Применение спроектированного фильтра для выделения сигнала и оптимизация характеристик фильтра для минимизации искажений и задержек сигнала.
2.3 Самостоятельная работа студентов
Тема 1. Особенности передачи данных по радиоканалу (10 часов, реферат)
Подготовка данных для передачи по радиоканалу. Исключение постоянной составляющей при прямых видах модуляции. Код Манчестер-II, Гауссовская модуляция.
Методы модуляции несущей, используемые для передачи данных: ASK, FSK, FFSK. Квадратурная модуляция (QAM).
Методы повышения надежности каналов связи. Помехоустойчивое кодирование, использование технологий OFDM, COFDM для доставки цифровых сигналов потребителю.
Тема 2. АЦП и ЦАП (10 часов, реферат)
Принципы работы параллельных АЦП, АЦП последовательного приближения и поразрядного уравновешивания.
Изучение принципов работы, достоинств и недостатков резисторных весовых ЦАП, ЦАП с матрицей R-2R, ЦАП с ШИМ.
Тема 3. Применение ДПФ (10 часов, реферат)
Использование ДПФ при анализе спектральных характеристик сигналов. Влияние общераспространенных помех на спектральные характеристики: белый шум, шум 1/f, наводки промышленной сети.
Связь импульсной и частотной характеристик цифровых фильтров. Проектирование фильтров методом низкочастотных эквивалентов.
Применение ДПФ и БПФ для фильтрации непрерывных сигналов. БПФ-свертка.
Тема 4. Построение современных систем радиоуправления и сбора данных (16 часов, реферат)
Системы управления светофорными объектами и городским освещением.
Системы мониторинга транспортных средств.
3. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Программой дисциплины предусмотрено чтение лекций, проведение лабораторных занятий. В течение изучения дисциплины студенты изучают на лекционных занятиях теоретический материал. На лабораторных занятиях, под руководством преподавателя, синтезируют схемы цифровых устройств и блоков, а также анализируют их функционирование.
Для студентов в качестве самостоятельной работы предлагается подготовка докладов и сообщений. Проводятся выездные занятия на предприятиях отрасли.
4. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ КУРСА
4.1 Перечень и тематика самостоятельных работ студентов по дисциплине
Темы рефератов:
1. Подготовка данных для передачи по радиоканалу.
2. Методы модуляции несущей, используемые для передачи данных: ASK, FSK, FFSK.
3. Методы повышения надежности каналов связи.
4. Принципы работы параллельных АЦП, АЦП последовательного приближения и поразрядного уравновешивания.
5. Принципы работы, достоинств и недостатков резисторных весовых ЦАП, ЦАП с матрицей R-2R, ЦАП с ШИМ.
6. Использование ДПФ при анализе спектральных характеристик сигналов.
7. Связь импульсной и частотной характеристик цифровых фильтров.
8. Применение ДПФ и БПФ для фильтрации непрерывных сигналов.
9. Системы управления светофорными объектами и городским освещением
10. Системы мониторинга транспортных средств
4.2 Контрольные вопросы для самостоятельной оценки качества освоения учебной дисциплины
1. Сравнительные характеристики и области применения узкополосных и широкополосных каналов связи
2. Пояснить различия в построении систем управления и систем передачи данных (информации).
3. Нарисовать структурную схему системы цифровой обработки сигналов и пояснить назначение элементов этой схемы.
4. Основные принципы выбора частоты дискретизации и шага квантования.
5. Пояснить назначение и суть работы многоинтервальных АЦП и ЦАП. Принципы децимации и интерполяции.
6. Структурная схема и принцип работы дельта-АЦП.
7. Структурная схема и принцип работы дельта-сигма АЦП.
8. Фундаментальные свойства линейных систем
9. Суперпозиция и декомпозиция
10. Принцип декомпозиции сигналов. Импульсная, чередующаяся и Фурье-декомпозиции.
11. Объяснить суть свертки
12. Типичные импульсные отклики (повторитель, усилитель, линия задержки, ревербератор)
13. Импульсные характеристики дифференциатора и интегратора.
14. ФНЧ и ФВЧ. КИХ и БИХ фильтры.
15. Написать формулу для вычисления выходного сигнала КИХ-фильтра.
16. Математические свойства свертки.
17. ДПФ. Причины необходимости разложения сигнала на синусоидальные составляющие.
18. Временное и спектральное представление сигналов.
19. Базисные функции ДПФ. Формула ОДПФ.
20. Формула прямого ДПФ. Число операций умножения.
21. Представление спектра в прямоугольной и полярной системах.
22. Принцип дуальности ДПФ.
23. Применение ДПФ. Области, где важно спектральное, а где – временное представление сигналов
24. Необходимость нормирования сигнала окном Хэмминга.
25. Методы уменьшения зашумленности спектрального представления сигналов.
26. Пояснить смысл спектральных составляющих сигнала от гидрофона (рис. 5.1 из раздаточного материала).
27. Какой параметр влияет на спектральную разрешающая способность ДПФ?
28. Повышение разрешающей способности ЧХ фильтров.
29. Вид спектра сигнала, содержащего синусоидальные составляющий, расположенные между базисных функций. Метод улучшения спектрального представления таких сигналов.
30. Связь импульсной и частотной характеристик фильтров.
31. С какой операцией в частотной области связана свертка во временной?
32. Пояснить принцип непрерывности ЧХ дискретной системы.
33. Принцип замены свертки частотными преобразованиями.
34. Свойства ДПФ. Фурье-пары.
35. Связь сдвига сигнала во временной области с изменением ФЧХ.
36. Зеркальное отражение сигнала и комплексно-сопряженные сигналы
37. Влияние сжатия и растяжения сигналов во временной области на их ЧХ.
38. Использование дополнения ЧХ нулями для восстановления непрерывной формы сигнала.
39. Эффект Гиббса.
40. Нарисовать Фурье-пару дельта-функции. Влияние сдвига дельта-функции на спектр в прямоугольной и полярной системах.
41. Прямоугольный импульс и отсчетная функция. Физическая реализуемость идеального фильтра.
42. Гауссова вспышка – ИХ полосового фильтра.
4.3 Методические рекомендации по организации СРС
В рамках общего объема часов самостоятельной работы студентов (СРС), отведенных для изучения дисциплины, предусматриваются следующие виды работ: выполнение индивидуальных домашних заданий по одной из тем, перечисленных в п.2.3, изучение теоретического материала с самоконтролем по приведенным выше вопросам, оформление и защита лабораторных работ, подготовка к экзамену.
На подготовку индивидуальных домашних заданий и написание рефератов планируется 15 часов.
Для самостоятельного изучения дисциплины и закрепления теоретического материала в программу включены контрольные вопросы для самостоятельной оценки студентом качества изучения дисциплины и возможность консультаций у ведущего преподавателя.
Планируемое время СРС на эту работу – 10 часов.
Кроме того, для контроля этого вида СРС на лекционных занятиях предусматриваются два письменных теста в середине и конце семестра
Для выполнения лабораторных работ в соответствии с разделом 2.2 настоящей учебной программы студент должен предварительно самостоятельно освоить теоретический материал соответствующих тем.
Для защиты работы он должен знать теоретический материал и продемонстрировать навыки компьютерного расчета и моделирования цифровых фильтров.
Объем СРС, отведенный на эту работу, составляет 16 часов.
На подготовку к экзамену и тестам отводится 16 часов СРС.
4.4 Рекомендации по работе с литературой
Основные характеристики каналов связи (тема 1) рекомендуется изучать по источникам [1,3]. Для углубления знаний в области кодирования информации и восстановления ошибок рекомендуется источник [5] и ссылки, приведенные в нем.
При изучении тем цифровой обработки сигналов (темы 2…9) рекомендуется использовать источники [2].
Для изучения пакета MatLab, подготовки к выполнению и защите лабораторных работ рекомендуется источник [4].
При выполнении индивидуальных домашних заданий, помимо перечисленных источников, рекомендуется использовать также перечисленные ниже интернет-ресурсы.
5. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1 Основная литература
1. Каганов цепи и сигналы. Компьютеризированный курс: учебное пособие для студентов вузов / . – М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2013.
2. Оппенгейм, Цифровая обработка сигналов / , ; пер. с англ. ; под ред. . – 2-е изд.,испр. – М.: Техносфера, 2009. – 856 с.
3. Радиосистемы управления: учебник для вузов / под ред. . – М.: Дрофа, 2005. – 416 с.
5.2 Дополнительная литература
4. Сергиенко обработка сигналов. Учебник для вузов. – Спб: БХВ-Петербург, 2011
5. Защищенные радиосистемы цифровой передачи информации / , , [и др.]. - М. : АСТ, 2006
5.3 Полнотекстовые базы данных
Полнотекстовые базы данных, библиотека ВГУЭС URL: http://lib. vvsu. ru
5.4 Интернет-ресурсы
Крис Касперски. Могущество кодов Рида-Соломона или информация, воскресшая из пепла www. /kk/027/027r. shtml
6. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
а) программное обеспечение: MatLab версии 10 и выше.
б) техническое и лабораторное обеспечение: рабочие станции на базе архитектуры x86 и x64, проекционное оборудование.
7. СЛОВАРЬ ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ
Антиалиасинговый фильтр — фильтр, подавляющий в спектре сигнала частотные составляющие, не удовлетворяющие условиям последующий дискретизации или передискретизации сигнала.
Декомпозиция — разложение задачи на более простые составляющие. В теории цифровой обработки — разложение сигнала на составляющие, анализ воздействия которых на систему цифровой обработки имеет простой физический смысл и/или поддается простому математическому расчету.
Дискретизация сигнала — представление непрерывного сигнала дискретной последовательностью импульсов (отсчетов), следующих с заданной периодичностью, удовлетворяющей условиям теоремы Котельникова (теоремы отсчетов).
Заворот спектра (алиасинг) — явление наложения части спектра сигнала, находящегося вне требований теоремы Котельникова, на полезную часть спектра. Заворот происходит при отсутствии или неправильном расчете антиалиасингового фильтра.
Канал связи — совокупность технических средств и среды распространения сигналов для передачи сообщений и данных.
Кодирование — процесс преобразования сигнала из формы, удобной для непосредственного использования информации, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической переработки.
Модуляция — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания по закону низкочастотного информационного сигнала (сообщения).
Отсчетная функция — функция вида sin(x)/x, применяемая при разложении непрерывного сигнала на дискретные отсчеты. Используется при доказательстве теоремы Котельникова, а также в теории цифровой обработки в качестве импульсной характеристики идеального фильтра нижних частот.
Радиоканал — канал связи, в котором передача информации осуществляется с помощью радиоволн. Аппаратура радиоканала включает в себя радиопередатчик, радиоприемник и антенную систему.
Радиоуправление — дистанционное управление удаленными устройствами по радиоканалу.
Рекурсивные вычисления в теории цифровой обработки сигналов — это вычисления отсчетов выходного сигнала, в которых применяются не только входные отсчеты, но и предыдущие выходные.
Суперпозиция в теории цифровой обработки сигналов — это процедура синтеза выходного сигнала из элементарных составляющих, вычисленных при анализе прохождения через линейные цепи простых сигналов, полученных при декомпозиции входного сигнала.
Телеметрия — совокупность технологий, позволяющая производить удалённые измерения и сбор информации. Телеметрия по радиоканалу называется также радиотелеметрией.
