Министерство образования и науки Российской Федерации

Министерство образования и науки Российской Федерации
ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарёва»
Факультет электронной техники
Кафедра сетей связи и систем коммутации
«УТВЕРЖДАЮ»
_____________________
_____________________
«______»___________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Цифровая обработка сигналов»
Направление подготовки
210700 Инфокоммуникационные технологии
и системы связи
Профиль подготовки
Сети связи и системы коммутации
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
г. Саранск
2011 г.
1. Цели и задачи дисциплины
-
-
Целями и задачами преподавания дисциплины являются:
изучение основ фундаментальной теории цифровой обработки сигналов (ЦОС) в части
базовых методов и алгоритмов ЦОС, инвариантных относительно физической природы
сигнала, и включающих в себя: математическое описание (математические модели) линейных
дискретных систем (ЛДС) и дискретных сигналов, включая дискретное и быстрое
преобразование Фурье (ДПФ и БПФ); основные этапы проектирования цифровых фильтров
(ЦФ); синтез и анализ ЦФ и их математическое описание в виде структур; оценку шумов
квантования в ЦФ с фиксированной точкой (ФТ);
изучение современных средств компьютерного моделирования базовых методов и алгоритмов
ЦОС.
2. Место дисциплины в структуре ООП
В результате изучения настоящей дисциплины студенты должны получить знания,
имеющие не только самостоятельное значение, но и обеспечивающие базовую подготовку для
усвоения ряда последующих дисциплин, связанных с конкретными приложениями методов ЦОС.
Данная дисциплина является развитием и логическим продолжением таких дисциплин
профессионального цикла как «Теория электрических цепей»,
«Общая теория связи»,
«Вычислительная техника и информационные технологии», обеспечивая согласованность и
преемственность с этими дисциплинами при переходе к цифровым технологиям.
3. Требования к результатам освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен:
знать:
-
методы математического описания линейных дискретных систем (ОК-9);
-
основные этапы проектирования цифровых фильтров (ПК-14);
-
основные методы синтеза и анализа частотно-избирательных цифровых фильтров (ПК-14);
-
методы математического описания цифровых фильтров в виде структуры (ОК-9);
-
метод
математического
описания
дискретных
сигналов
с
помощью
дискретного
преобразования Фурье (ДПФ) (ОК-9);
-
алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ) Кули-Тьюки (ОК-9);
-
принципы оценки шумов квантования в цифровых фильтрах с фиксированной точкой (ОК-9);
уметь:
-
объяснять математическое описание линейных дискретных систем в виде алгоритмов (ОК-9);
выполнять компьютерное моделирование линейных дискретных систем на основе их
математического описания (ПК-2);
задавать требования к частотным характеристикам цифровых фильтров (ПК-14);
обосновывать выбор типа цифрового фильтра, КИХ или БИХ (с конечной или бесконечной
импульсной характеристикой) (ПК-14);
-
синтезировать цифровой фильтр и анализировать его
компьютерного моделирования (ПК-2);
обосновывать выбор структуры цифрового фильтра (ОК-9);
характеристики
средствами
выполнять компьютерное моделирование структуры цифрового фильтра (ПК-2);
вычислять ДПФ дискретного сигнала с помощью алгоритмов БПФ средствами компьютерного
моделирования (ПК-2);
владеть:
-
навыками составления математических моделей линейных дискретных систем и дискретных
сигналов (ОК-9);
-
навыками компьютерного моделирования линейных дискретных систем (ПК-2);
-
навыками компьютерного проектирования цифровых фильтров (ПК-2);
-
навыками компьютерного вычисления ДПФ на основе БПФ (ПК-2).
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
использует основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной
деятельности, применяет методы математического анализа и моделирования, теоретического и
экспериментального исследования (ОК-9);
имеет навыки самостоятельной работы на компьютере и в компьютерных сетях; готов и
способен к компьютерному моделированию устройств, систем и процессов с использованием
универсальных пакетов прикладных компьютерных программ (ПК-2);
умеет проводить расчеты по проекту сетей, сооружений и средств связи в соответствии с
техническим заданием с использованием как стандартных методов, приемов и средств
автоматизации проектирования, так и самостоятельно создаваемых оригинальных программ;
умеет проводить технико-экономическое обоснования проектных расчетов с использованием
современных подходов и методов (ПК-14).
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы.
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа
Подготовка к практическим занятиям
Подготовка к лабораторным работам
Подготовка к зачету
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
Всего часов
108
54
22
–
32
54
–
54
Семестр
5
54
22
–
32
54
–
54
–
Зачет
№
п/п
Наименование
раздела дисциплины
Содержание раздела
1.
Введение
Предмет ЦОС.
Основные типы сигналов. Нормирование времени.
Обобщенная схема ЦОС.
Типовые дискретные сигналы.
Нормирование частоты. Основная полоса частот.
2.
Линейные дискретные
ЛДС: определение; свойства.
Математическое описание ЛДС во временной области:
импульсная
характеристика
(ИХ);
соотношения
вход/выход: формула свертки, разностное уравнение;
рекурсивные и нерекурсивные ЛДС; системы с конечной
и бесконечной импульсной характеристикой (КИХ- и
БИХ-системы); устойчивость ЛДС – определение,
критерий устойчивости для временной области.
Z-преобразование: определение; свойства; соотношение
между комплексными p- и z-плоскостями; основные
способы вычисления обратного Z-преобразования.
Математическое описание ЛДС в z-области: передаточная
функция (ПФ) рекурсивных и нерекурсивных ЛДС;
соотношения вход/выход в z-области; связь ПФ с
разностным уравнением; карта нулей и полюсов;
разновидности передаточной функции рекурсивных ЛДС;
системы (ЛДС)
ПФ и ИХ рекурсивных звеньев 1-го и 2-го порядков;
критерий устойчивости ЛДС для z-области.
Структура (структурная схема) ЛДС: определение; связь с
видом ПФ; структуры рекурсивных ЛДС (прямая и ее
модификации, каскадная, параллельная) и нерекурсивных
ЛДС (прямая).
Математическое описание ЛДС в частотной области:
частотная характеристика (ЧХ); АЧХ, ФЧХ –
определение, свойства; связь ЧХ с ПФ; соотношения
вход/выход в частотной области; расчет АЧХ и ФЧХ по
ПФ; анализ АЧХ по карте нулей и полюсов.
3.
Цифровые фильтры
(ЦФ)
ЦФ: определение; классификация; основные этапы
проектирования; задание требований к АЧХ и АЧХ (дБ).
КИХ-фильтры с линейной ФЧХ (ЛФЧХ): условия
линейности ФЧХ; четыре типа КИХ-фильтров с ЛФЧХ;
прямая приведенная структура КИХ-фильтра.
Синтез КИХ-фильтров с ЛФЧХ: метод окон
(прямоугольное окно, окно Кайзера и др.); метод
наилучшей равномерной (чебышевской) аппроксимации.
Синтез БИХ-фильтров: методы на основе аналогового-
фильтра-прототипа (АФП) Баттерворта, Чебышева I-го и
II-го рода, Золотарева–Кауэра: метод инвариантности ИХ;
метод билинейного Z-преобразования.
4.
Эффекты квантования в Источники ошибок квантования в цифровых системах с
ЦФ
фиксированной точкой (ФТ). Шум квантования АЦП.
Собственный
шум
цифровой
системы.
Ошибки
квантования коэффициентов ПФ. Полный шум цифровой
системы. Переполнение в сумматорах, масштабирование.
Понятие о предельных циклах низкого уровня.
5.
Описание дискретных
Спектральная плотность дискретного сигнала и ее
сигналов в частотной
свойства. Связь между спектральными плотностями
области
дискретного
операции
и
аналогового
со спектральными
сигналов.
Простейшие
плотностями:
перенос,
инверсия, формирование сигнала с ОБП.
6.
Дискретное
ДПФ
периодических
последовательностей
и
последовательностей конечной длины. Свойства ДПФ.
Вычисление круговых, линейных и секционированных
сверток с помощью ДПФ. Понятие о спектральном
анализе сигналов с помощью ДПФ.
преобразование Фурье
(ДПФ)
7.
Быстрое
Оценка порядка вычислительной сложности ДПФ.
Определение БПФ. БПФ Кули-Тьюки с прореживанием
по времени: алгоритм; начальные условия алгоритма
(прореживание отсчетов исходной последовательности);
оценка порядка вычислительной сложности. Вычисление
ОДПФ с помощью БПФ.
преобразование Фурье
(БПФ)
5.2. Разделы дисциплины и виды занятий
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Раздел дисциплины
Лекции
ПЗ
ЛР
Введение
Линейные дискретные системы (ЛДС)
Цифровые фильтры (ЦФ)
Эффекты квантования в ЦФ
Описание дискретных сигналов в частотной
области
Дискретное преобразование Фурье (ДПФ)
Быстрое преобразование Фурье (БПФ)
2
6
6
2
2
-
4
4
12
8
-
2
2
-
4
6. Лабораторный практикум
№
п/п
№
раздела
дисципли
ны
Наименование лабораторных работ
Трудоем
кость
(час.)
1.
2.
3.
1
2
3
4.
3
5.
6.
7.
3, 4
3, 4
6, 7
Компьютерное моделирование дискретных сигналов
Компьютерное моделирование линейных дискретных систем
Синтез и анализ оптимальных (по Чебышеву) КИХ-фильтров
средствами компьютерного моделирования
Синтез и анализ БИХ-фильтров методом билинейного Zпреобразования средствами компьютерного моделирования
Компьютерное моделирование структур КИХ-фильтров с ФТ
Компьютерное моделирование структур БИХ-фильтров с ФТ
Вычисление ДПФ с помощью БПФ средствами
компьютерного моделирования
4
4
6
6
4
4
4
7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1. Рекомендуемая литература
а) основная литература:
1. Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. — М.: Техносфера, 2006.
2. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. 2-е изд. — СПб.: ПИТЕР, 2006.
3. Солонина А. И., Улахович Д. А., Арбузов С. М., Соловьева Е. Б. Основы цифровой обработки
сигналов. 2-е изд. — СПб.: БХВ-Петербург, 2005.
4. Солонина А. И., Арбузов С. М. Цифровая обработка сигналов. Моделирование в MATLAB. —
СПб.: БХВ-Петербург, 2008.
б) дополнительная литература:
1. Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов. — М.—СПб.—Киев: Вильямс, 2004.
2. Гольденберг Л. М., Матюшкин Б. Д., Поляк М. Н. Цифровая обработка сигналов.
Справочник. — М.: Радио и связь, 1985.
3. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. — М.: Бином, 2006.
4. Марпл С. Л. (мл.). Цифровой спектральный анализ и его приложения / Пер. с англ. — М.: Мир,
1990.
в) программное и коммуникационное обеспечение
1. WindowsXP.
2. MATLAB.
7.2. Средства обеспечения освоения дисциплины
1. Программное обеспечение WindowsXP и MATLAB.
2. Описание лабораторных работ.
4. Учебные пособия по теоретической части курса и компьютерному моделированию ЦОС в
MATLAB.
5. Средства компьютерной презентации при чтении лекций.
8. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Классы с персональными компьютерами и указанным программным обеспечением для
проведения групповых занятий (две подгруппы по 10–12 студентов на одного преподавателя).
9. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Лекционные занятия, по возможности, следует проводить с компьютерной презентацией и
предварительной раздачей (рассылкой через Internet или размещением на сайте) материалов
текущей лекции, включающих план лекции (список рассматриваемых вопросов), основные
формулы, графики, рисунки и т. п., но, ни в коем случае не конспект лекции.
Лабораторные работы важно проводить после прослушивания соответствующих лекций и
их самостоятельной проработки студентами для эффективного усвоения материала дисциплины на
лабораторных занятиях. С этой целью рекомендуется заранее к каждой лабораторной работе
выдавать домашнее задание (письменное или устное), которое будет проверяться перед
проведением лабораторной работы, а также описание работы и вопросы к ее защите, с тем, чтобы
студент получил представление о лабораторной работе в целом. Допуском к лабораторной работе
является выполненное домашнее задание. Защита лабораторной работы может проводиться
письменно или устно по усмотрению преподавателя.
Для того чтобы обеспечить глубокое усвоение студентами основ цифровой обработки
сигналов, творческий подход при изучении ими соответствующих материалов, необходимо
провести методическую работу, которая должна быть направлена не только на эффективное
использование аудиторных часов, но и на осуществление контроля за самостоятельной работой
студентов в объеме, выделяемом настоящей примерной программой. Целью является обеспечение
равномерной активной работы студентов над материалами курса в течение всего семестра. В
рамках самостоятельной работы студенты должны прорабатывать курс прослушанных лекций,
готовиться к допуску на проведение лабораторных работ и их защите, готовиться к проведению
зачета.