Программа по дисциплине "Теория и техника передачи информации" для студентов
| Вид материала | Программа |
- Рабочая программа по дисциплине: Теория информации Для специальности: 230102 Автоматизированные, 90.58kb.
- Программа по дисциплине "Теория информации" для студентов специальности 090106, 124.66kb.
- Билет 5 Процесс передачи информации, источник и приемник информации, канал передачи, 17.58kb.
- Задачи дисциплины дать основы: методов оценки количества информации, 16.16kb.
- Рабочая программа дисциплины «Теория систем» по направлению подготовки дипломированного, 142.63kb.
- Рабочая программа по дисциплине: «оптические методы и устройства обработки информации», 90.76kb.
- Рабочая программа дисциплины «Теория принятия решений» по направлению подготовки дипломированного, 176.95kb.
- Тематическое планирование учителя информатики, 115.43kb.
- Программа по курсу "Радиосистемы передачи информации " для студентов специальности, 97.86kb.
- Программа по курсу "Передача дискретных сообщений (Многоканальные цифровые системы, 90.29kb.
Федеральное агентство по образованию
Томский государственный университет систем управления и
радиоэлектроники (ТУСУР)
"УТВЕРЖДАЮ"
Проректор по учебной работе
____________ Л.А. Боков
"____" ________________ 2009 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине "Теория и техника передачи информации"
для студентов направления 210300 “Радиотехника”, специальности 210302 “Радиотехника”.
Учебный план набора 2006 года и последующих лет, квалификация - инженер.
Факультет радиотехнический
Профилирующая кафедра радиоэлектроники и защиты информации
Курс третий
Семестр пятый
Распределение учебного времени
Лекций - 36 часов
Практических занятий - 9 часов
Лабораторных работ - 9 часов
Самостоятельная работа - 28 часов
Всего - 82 часа
Зачет - 5 семестр.
2009 г.
Рабочая программа составлена на основании требований ГОС ВПО, утвержденного 17.03.2000, номер гос. Регистрации 151 тех/дс. для специальности 210302 “Радиотехника”.
Рассмотрена и утверждена на заседании кафедры РТС, протокол № от 2009 г.
Разработчик,
доцент кафедры РТС А.С. Бернгардт
Зав. обеспечивающей кафедрой РТС,
профессор Г.С. Шарыгин
Рабочая программа согласована с факультетом, профилирующей и выпускающей кафедрами
Декан РТФ, профессор А.С. Задорин
Зав. профилирующей и выпускающей
кафедрой РЗИ, профессор А.С. Задорин
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ. ЕЕ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ
1.1. Цели и задачи дисциплины
Дисциплина “Теория и техника передачи информации” (ТиТПИ) относится к числу основных специальных дисциплин для подготовки инженеров по специальности 210302 “Радиотехника”. Целью преподавания дисциплины является изучение основных закономерностей передачи информации в телекоммуникационных системах. В результате изучения дисциплины у студентов должны сформироваться знания, навыки и умения, позволяющие самостоятельно проводить математический анализ физических процессов в аналоговых и цифровых устройствах формирования, преобразования и обработки сигналов, оценивать реальные и предельные возможности пропускной способности и помехоустойчивости телекоммуникационных систем.
В курсе ТиТПИ принят единый методологический подход к анализу и синтезу современных телекоммуникационных систем и устройств на основе вероятностных моделей сообщений, сигналов, помех и каналов в системах связи. Предусмотренные программой курса ТиТПИ знания являются не только базой для последующего изучения специальных дисциплин, но имеют также самостоятельное значение для формирования инженеров по специальности 210302 “Радиотехника”.
1.2. Требования к уровню освоения содержания дисциплины
В результате изучения курса студенты должны:
знать принципы и основные закономерности передачи информации по каналам связи; знать физические свойства сообщений, сигналов, помех и каналов связи, уметь составлять их математические модели и использовать их в расчетах; знать и уметь применять на практике методы формирования, преобразования и обработки сигналов в электрических цепях и устройствах; знать принципы многоканальной передачи и распределения информации;
уметь пользоваться методами компьютерного моделирования преобразования сигналов в электрических цепях; уметь применять на практике основные положения теории помехоустойчивости дискретных и аналоговых сообщений, пропускной способности дискретных и аналоговых каналов; уметь пользоваться методами помехоустойчивого и статистического кодирования; уметь использовать статистические и информационные характеристики сообщений, сигналов и их преобразований в электрических цепях и устройствах обработки;
иметь представление о методах оптимизации систем передачи информации и сетей связи; иметь представление о теоретико-информационной концепции криптозащиты сообщений в телекоммуникационных системах; получить навыки практической работы с лабораторными макетами аналоговых и цифровых устройств, с современной измерительной аппаратурой, методами компьютерного моделирования физических процессов при передаче информации (в рамках группового проектного обучения).
1.3. Перечень обеспечивающих дисциплин
Теоретической базой курса ТиТПИ являются основные сведения из дисциплин естественнонаучного и профессионального циклов: математики, информатики, физики, дискретной математики, теории вероятностей и математической статистики, основ теории радиотехнических цепей и сигналов, электроники, основ схемотехники.
2. Содержание лекционного курса ( 36 часов)
2.1. Введение - 1 час
Информация и сигнал как ее материальный носитель. Сообщение и информация. Случайный характер сообщений и сигналов. Примеры: речевые (телефонные), вещательные, телевизионные, телеграфные сигналы, сигналы передачи данных.
Системы передачи, хранения и распределения информации. Структурная схема системы передачи информации (СПИ). Сообщения и сигналы, преобразования сигналов в процессе передачи. Линия связи с помехами, функции передатчика и приемника. Количество и качество: скорость передачи и помехоустойчивость СПИ. Статистический анализ и синтез СПИ.
Системы распределения информации. Многоканальная связь и многостанционный доступ, сети электросвязи как системы массового обслуживания.
Краткий исторический очерк. Роль средств связи в современном обществе. Обзор содержания курса.
2.2. Математические модели сигналов и помех - 3 часа.
Цифровые сигналы. Символ, алфавит, основание кода. Вероятностное описание последовательности символов. Примеры цифровых сигналов.
Дискретные сигналы. Последовательность гауссовских случайных величин.
Непрерывные сигналы. Основные параметры: длительность, ширина спектра и динамический диапазон. Стационарный гауссовский случайный процесс, числовые характеристики. Белый шум. Узкополосный процесс. Примеры непрерывных сигналов.
Аддитивные и мультипликативные помехи. Канал многолучевого распространения волн как фильтр со случайно изменяющимися параметрами.
2.3. Преобразование сигналов в каналах связи - 4 часа.
Кодирование и декодирование цифровых сигналов. Основные задачи кодирования: сокращение избыточности, повышение помехоустойчивости, скрытности, криптоустойчивости.
Дискретизация во времени непрерывных сигналов. Теорема отсчетов. Восстановление непрерывного сигнала из дискретного, шум дискретизации.
АЦП и ЦАП. Основные характеристики, шумы квантования по уровню, компрессия сигнала.
Модуляция несущей аналоговым сигналом: АМ, АМ с подавленной несущей, однополосная АМ, ЧМ. Спектры модулированных сигналов и полоса частот, требуемая для передачи.
Модуляция импульсной несущей дискретным сигналом: АИМ, ШИМ, ВИМ. Спектры модулированных сигналов и полоса частот, требуемая для передачи.
Способы модуляции в цифровых СПИ: АМ, ЧМ, ФМ, ОФМ. Многопозиционные методы модуляции. Векторное представление сигналов. Спектры модулированных сигналов, межсимвольная интерференция.
Элементарные преобразователи цифровых сигналов: регистр сдвига, сумматор по модулю 2, мультиплексор и демультиплексор, модуляторы, когерентный детектор и согласованный фильтр, цифровой фильтр.
Аналоговые, дискретные и цифровые каналы передачи сигналов.
Геометрическое представление сигналов и помех: энергии сигналов и расстояние между ними, независимость и ортогональность сигналов.
2.4. Помехоустойчивое и криптоустойчивое кодирование в цифровых системах передачи информации - 8 часов.
Принципы помехоустойчивого кодирования. Блочные корректирующие коды. Обнаружение и исправление ошибок. Кодовое расстояние. Систематические линейные коды, порождающие матрицы. Декодирование линейных кодов. Проверочные матрицы. Коды Хемминга, Рида-Малера.
Циклические коды. Порождающий полином. Способы кодирования циклических кодов. Декодирование при обнаружении и исправлении ошибок. Мажоритарное декодирование. Коды БЧХ, коды Рида-Соломона.
Сверточные коды (СК). Структура и основные характеристики СК. Пороговое декодирование. Декодирование по методу Витерби. Декодирование с мягким решением.
Кодирование в каналах с памятью. Группирование ошибок, перемежение символов при кодировании, применение циклических и сверточных кодов. Понятие об итеративных, каскадных и турбокодах.
Предельные возможности помехоустойчивого кодирования. Системы с информационной и решающей обратной связью. Помехоустойчивость систем с обратной связью (ОС). Эффективность систем с ОС в каналах с переменными параметрами.
Теоретико-информационная концепция криптозащиты сообщений в телекоммуникационных системах. Модель и основные понятия секретной связи. Общий вид оператора шифрования для дискретных сообщений. Криптограмма как зашумленное сообщение. Алгоритмика классических криптосистем с секретными ключами. Общая концепция криптографии с открытыми ключами.
2.5. Основы теории информации - 4 часа.
Собственная информация, энтропия. Избыточность и ее роль. Кодирование источника (эффективное кодирование). Цель сжатия данных и типы систем сжатия. Статистическое кодирование. Коды Шеннона-Фано, Хаффмана, блоковое кодирование. Словарные методы кодирования. Метод Зива-Лемпела. Методы сжатия с потерей информации. Сжатие речевых сигналов. Цифровые каналы с помехами. Взаимная информация. Скорость создания и скорость передачи информации. Пропускная способность канала связи. Пропускная способность двоичного симметричного канала. Теоремы Шеннона о кодировании в дискретном канале с помехами.
Информация в непрерывных сигналах. Дифференциальная энтропия непрерывного отсчета. Условная дифференциальная энтропия. Понятие об эпсилон-энтропии непрерывного сигнала. Пропускная способность непрерывного канала с аддитивным белым гауссовским шумом, формула Шеннона. Возможность обмена полосы пропускания на мощность сигнала.
2.6. Оптимальный прием сигналов и основы теории помехоустойчивости - 4 часа
Априорная информация о сигналах и помехах. Роль систем синхронизации и АПЧ. Когерентные и некогерентные системы передачи информации.
Постановка задачи об оптимальном демодуляторе (приемнике) цифровых сигналов. Критерии качества. Критерий максимума средней вероятности правильного приема. Решающая схема, построенная по правилу максимума апостериорной вероятности. Отношение правдоподобия
Оптимальный прием в канале с постоянными параметрами при наличии аддитивного белого шума. Синтез алгоритмов и схем оптимальных приемников (корреляционный приемник, согласованный фильтр).
Потенциальная помехоустойчивость при точно известном множестве сигналов. Вероятность ошибки приема для двоичной системы сигналов при белом гауссовском шуме. Сравнительная оценка помехоустойчивости АМ, ЧМ, ФМ сигналов. Относительная фазовая модуляция. Вероятность ошибки при приеме многопозиционных сигналов.
Прием дискретных сообщений в условиях флуктуации амплитуд и фаз сигналов. Разнесенный прием. Способы разнесенного приема.
Прием дискретных сообщений в каналах с сосредоточенными по спектру и импульсными помехами.
Регенерация цифрового сигнала в ретрансляторах. Поэлементный прием цифровых сигналов и прием "в целом".
2.7. Методы многоканальной связи и многостанционного доступа - 4 часа
Основные положения теории разделения сигналов в системах многоканальной связи. Системы передачи с линейно-независимыми сигналами. Условия разделимости сигналов, определитель Грама. Геометрическая трактовка разделения сигналов.
Частотный и временной методы разделения сигналов. Структурные схемы многоканальных систем с ЧРК и ВРК, особенности формирования групповых сигналов и построения разделяющих устройств. Междуканальные помехи.
Принцип многостанционного доступа к общему тракту передачи на основе ЧРК, ВРК, разделения сигналов по форме. Многостанционный доступ с кодовым разделением каналов. Принципы генерирования и свойства ортогональных и псевдослучайных (шумоподобных) последовательностей. Пропускная способность систем многоканальной связи. Влияние взаимных помех на пропускную способность канала.
Синхронный и асинхронный методы передачи в цифровых многоканальных системах. Иерархии цифровых систем.
2.8. Принципы распределения информации - 6 часов
Сети и системы обмена информацией. Классификация сетей, каналов, линий. Структуры сетей. Кабельные сети и сети радиосвязи: релейная передача, электромагнитная совместимость, принцип повторного использования частот, общая синхронизация.
Коммутация каналов и коммутация пакетов: сравнительный анализ. Классификация гибридных методов. Современные технологии синхронного и асинхронного обмена информацией в сетях: контейнерная передача, виртуальные каналы и виртуальные пути, маршрутизация и коммутация, защита от ошибок. Примеры: ATM , Frame Relay.
Основные положения теории массового обслуживания. Структура систем распределения информации. Многоуровневая архитектура связи и протоколы.
2.9. Анализ эффективности и оптимизация систем связи - 2 часа
Методологические принципы системного анализа. Иерархичность структуры СПИ. Принцип декомпозиции и агрегирования. Моделирование СПИ с помощью ЭВМ. Математическая формулировка задачи оптимизации. Показатели частотной, энергетической и информационной эффективности.
Темы практических занятий (9 часов).
Собственная информация, энтропия. Избыточность. Взаимная информация – 2 часа
- Оптимальное кодирование. Префиксные коды – 2 часа
- Систематические коды. Коды Хэмминга. Циклические коды – 3 часа
- Методы многоканальной связи и многостанционного доступа– 2 часа
4. Перечень лабораторных работ (9 часов, по выбору)
5.1. Исследование помехоустойчивости кода с проверкой на четность и циклического кода - 4 часа.
5.2. Исследование преобразователей непрерывных величин в двоичный код - 4 часа.
5.3. Исследование системы связи с временным разделением каналов с время-импульсной модуляцией - 4 часа.
5.4. Исследование системы связи с дельта-модуляцией - 4 часа.
5.5. Исследование помехоустойчивости различных методов модуляции при передаче данных - 4 часа.
5.6. Биортогональные коды - 4 часа.
5.7. Исследование сверточного кодирования и порогового декодирования – 4 часа.
5.8. Исследование спектров импульсных модулированных сигналов - 4 часа.
6. Самостоятельная работа (28 часов).
Самостоятельная работа студентов предполагает углубленное изучение тех разделов дисциплины, которые связаны с выполнением заданий на практических занятиях, подготовки к лабораторным работам, а также выполнение творческого задания. Темы творческих заданий определяются программой курса.
| №п/п | Наименование работы | Кол-во часов | Формы контроля |
| 1 | Проработка лекционного материала, подготовка к практическим занятиям и контрольным работам | 8 | Опрос и проверка на практ. занятиях |
| 2 | Подготовка к лабораторным работам | 6 | |
| 3 | Выполнение индивидуальных домашних заданий | 8 | Проверка работ |
| 4 | Выполнение творческого задания | 6 | Презентация, реферат |
| | ВСЕГО | 28 | |
При подготовке студентов к практическим занятиям изучаются следующие разделы:
- Математические модели сигналов (п. 2.3.).
- Количество информации и энтропия(п. 2.4.).
- Оптимальное кодирование источника информации (п. 2.5.).
- Помехоустойчивое кодирование (п. 2.6.).
- Методы многоканальной связи и многостанционного доступа(п. 2.7.)
- КОНТРОЛЬ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Контроль осуществляется путем применения балльно-рейтинговой системы оценки успеваемости (см. Приложение А) и включает текущий контроль выполнения элементов объема дисциплины по элементам контроля с подведением текущего рейтинга. Учитываются:
- посещение лекций и практических занятий;
- выполнение и защита лабораторных работ;
- выполнение самостоятельных домашних работ;
- контрольные работы, выполняемые на практических занятиях;
- выполнение творческого задания.
Темы творческих заданий определяются программой курса и согласуются с преподавателем.
Результаты контрольных точек в семестре выставляются на основе текущего рейтинга. Студент, набравший не менее 60 баллов, получает зачет “автоматом”. В то же время, независимо от набранной в семестре текущей суммы баллов обязательным условием для получения зачета является выполнение студентом необходимых по рабочей программе для дисциплины видов занятий: выполнение и защита результатов лабораторных работ, выполнение домашних и контрольных работ. Преподаватель имеет право не учитывать набранную студентом сумму баллов до ликвидации студентом текущих долгов по дисциплине.
8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
8.1. Рекомендуемая литература.
а) основная литература:
1. Радиосистемы передачи информации : Учебное пособие для вузов / В. А. Васин [и др.]; ред.: И. Б. Федоров, В. В. Калмыков. - М. : Горячая линия-Телеком, 2005.
2. Пенин П.И., Филиппов М.И. Радиотехнические системы передачи информации. Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1990 и других лет издания.-304 с.
б) дополнительная литература:
1. Теория электрической связи: учебное пособие/ Ю.П. Акулиничев. - Томск : Томск. гос. ун-т систем упр. и радиоэлектроники, 2007, 214с.
Теория передачи сигналов. Учебник для вузов. Зюко А.Г. и др. – М.: Связь, 1980 (и последующих лет). – 288 с.
- Кловский Д.Д., Шилкин В.А. Теория электрической связи. Сб. задач и упражнений. Учебное пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1990. – 280 с.
- Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е изд.: Пер. с англ. – М: Изд. дом. “Вильямс”, 2003. – 1104 с.
- Радиотехнические системы передачи информации. Учебное пособие для вузов/ В.А. Борисов и др. Под ред. В.В. Калмыкова. – М.: Радио и связь, 1990. – 304 с.
- Пенин П.И., Филиппов М.И. Радиотехнические системы передачи информации.
- Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин С.В. Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 2001. – 336 с.
- Цифровые и аналоговые системы передачи: Учебник для вузов/ Вячеслав Ильич Иванов, Владимир Николаевич Гордиенко, Григорий Николаевич Попов и др; Ред. Вячеслав Ильич Иванов. - 2-е изд.. - М.: Горячая линия-Телеком, 2003. - 230[2] с.
- Современные технологии цифровых оптоволоконных сетей связи (ATM, PDH, SDH, SONET и WDM): производственно-практическое издание/ Николай Николаевич Слепов. - М.: Радио и связь, 2000.
14. Искусство помехоустойчивого кодирования. Методы, алгоритмы, применение: Учебное пособие для вузов: Пер. с англ./ Р. Морелос – Сарагоса; пер. В.Б. Афанасьев. – М.: Техносфера, 2006. – 319 с. – имеется 36 экз.
8.2. Средства обеспечения освоения дисциплины.
1. Макеты для моделирования устройств формирования, детектирования и преобразования сигналов.
2. Описание лабораторных работ для натурного моделирования, формирования и преобразования детерминированных и случайных сигналов.
3. Компьютерные программы для проведения практических занятий в дисплейном классе.
4. Кафедральный банк программ для индивидуальных заданий студентов.
5. Средства статической проекции для использования при чтении лекций.
9. Методические указания
Основная рекомендация сводится к обеспечению равномерной активной работы студентов над курсом в течение учебного года: они должны прорабатывать курс прослушанных лекций, готовиться к выполнению лабораторных работ, самостоятельно решать задачи на практических занятиях, глубоко осмыслить содержание расчетов курсового проекта.
При изучении курса следует периодически отмечать то общее, что объединяет рассматриваемые вопросы. Для методов передачи сигналов ключевым является понятие избыточности и ее роль при передаче информации. Для методов приема общей является идея уменьшения апостериорной неопределенности относительно передаваемого сигнала по сравнению с априорной неопределенностью.
Приложение А
(обязательное)
Применение балльно-рейтинговой системы в 5 семестре
Распределения баллов по элементам контроля
| Элементы учебной деятельности | Кол-во элементов | Длитель-ность эле- мента, час. | Элемент контроля | Срок контроля,неделя с начала семестра | Кол - во баллов (всего) |
| Посещение лекций | 18 | 2 | Журнал | 1-17 | 18 |
| Активность на практических занятиях | 4 | 2 | Журнал | 1-17 | 8 |
| Выполнение индивидуальных заданий | 4 | 2 | Отчет | 4, 8, 13, 16 | 12 |
| Выполнение контрольных работ | 3 | 1 | Работа | 6, 11, 16 | 18 |
| Выполнение лабораторных работ и защита результатов | 2 | 4 | Допуск, отчет, защита | 1-17 | 8 |
| Выполнение творческого задания (презентация, реферат) | 1 | 6 | Выступление, файл | 1-17 | 12 |
| Итоговое собеседование | 1 | 0,5 | | 18 | 12 |
| Компонент своевременности | | | | Семестр | 12 |
| Итог | | | | | 100 |
Распределение баллов в течение семестра
| Элементы учебной деятельности | Максимальный балл на 1-ую КТ с начала семестра | Максимальный балл за период между 1КТ и 2КТ | Максимальный балл за период между 2КТ и на конец семестра | Всего за семестр |
| Посещение лекций | 9 | 5 | 4 | 18 |
| Активность на практических занятиях | | 4 | 4 | 8 |
| Выполнение индивидуальных заданий | 6 | 3 | 3 | 12 |
| Выполнение контрольных работ | 6 | 6 | 6 | 18 |
| Выполнение лабораторных работ и защита результатов | 0 | 4 | 4 | 8 |
| Выполнение творческого задания | | | 12 | 12 |
| Итоговое собеседование | | | 12 | 12 |
| Компонент своевременности | 4 | 4 | 4 | 12 |
| Итого максимум за период: | 25 | 26 | 49 | |
| Нарастающим итогом | 24 | 49 | 100 | 100 |