Рабочая программа Системы цифровой обработки сигналов наименование дисциплины по дисциплине дс. 01

Вид материала

Рабочая программа

Содержание 1.2. Задачи изучения дисциплины 2. Требования к знаниям и умениям студентов по дисциплине. Общая схема образования измеряемого сигнала и процесса его преобразования в целях получения информации о величине, которая должн Полезный сигнал  Первичный преобразователь (ПП) Измеряемая величина Шум ПП Массив измерений  Шум дискретизации Основы теории цепей и сигналов. 4. Содержание лекционного курса 5. Перечень тем практических занятий отсутствуют 6. Перечень лабораторных работ 7. Задания для самостоятельной работы студентов 8. Курсовой проект Не предусмотрен 9.Курсовая работа

Подобный материал:

• Рабочая программа дисциплины "Алгоритмы и средства цифровой обработки сигналов" для, 61.24kb.
• Программа учебной дисциплины «Теория сигналов» Специальности 071500, 013900 (СД. 05), 82.24kb.
• Учебная программа дисциплины «Методы цифровой обработки сигналов и изображений» (СД., 220.56kb.
• «Обработка изображений» Общая трудоемкость изучения дисциплины составляет, 15.75kb.
• Н. Г. Чернышевского кафедра радиофизики и нелинейной динамики рабочая программа, 145.34kb.
• Ю. В. Смирнов московский инженерно-физический институт (государственный университет), 13.81kb.
• Вопросы к экзамену по дисциплине "Теория и проектирование алгоритмов цифровой обработки, 33.28kb.
• Рабочая программа по дисциплине Моделирование и эксперимент (гпо 2 ) Для специальностей, 155.7kb.
• Вопросы к экзамену по курсу, 15.96kb.
• Рабочая программа дисциплины «Автоматизированные системы обработки экономической информации», 306.21kb.

Саратовский государственный технический университет
Кафедра Технической физики и информационных технологий
Рабочая программа
Системы цифровой обработки сигналов
НАИМЕНОВАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
по дисциплине		ДС.01
		шифр дисциплины по учебному плану
		наименование дисциплины
для специальности		22.04.00 Программное обеспечение вычислительной техники автоматизированных систем
код и наименование специальности
для направления
код и наименование направления
Курс	5
Семестр	9
Часов в неделю	3
Курсовая работа		семестр
Курсовой проект		семестр
Расчетно-графическая работа		семестр
Контрольная работа		семестр
Экзамен	9	семестр
Зачет		семестр
		Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры
		2	октября	2004	года,		Протокол №	2
		число	месяц	год
		Зав. кафедрой
		подпись					Кац А.М.
		Рабочая программа обсуждена на заседании УМКС/УМКН
		2	октября	2004	года,		Протокол №	2
		число	месяц	год
		Зав. УМКС/УМКН
		подпись					Кац А.М.
САРАТОВ, 2004

1.Цели и задачи дисциплины, ее место в учебном процессе

1.1. Цель преподавания дисциплины:

теоретическая подготовка студентов специальности 220400 «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем» в области цифровой обработки сигналов (ЦОС) и приобретение практических навыков по обработке сигналов с ипользованием стандартных математических пакетов Signal Processing Toolbox (MatLab 5.x, 6.x) и Electronics Workbench (электронная лаборатория).

1.2. Задачи изучения дисциплины:

формирование у студентов минимально необходимых знаний, умений и навыков по цифровой обработке сигналов.

1. 3 . Перечень дисциплин, усвоение которых студентами, необходимо для изучения данной дисциплины: для успешного изучения курса ЦОС студент должен владеть Фурье-анализом и знать основные положения теории сигналов и фильтрации, а так же необходимо владеть основами математического анализа, теории вероятностей и математической статистики, методами объектно-ориентированного программирования, офисными технологиями.

2. Требования к знаниям и умениям студентов по дисциплине.

Государственные требования к минимуму содержания и уровню подготовки инженера по специальности для дисциплины «Системы цифровой обработки сигналов» содержат следующие положения:

Цифровая обработка сигналов включает в себя создание средств численного преобразования массива заданного (измеренного в дискретный моменты времени) процесса изменения некоторой непрерывной физической величины с целью извлечения из него полезной информации о другой физической величине, содержащейся в измеренном сигнале [8].

Общая схема образования измеряемого сигнала и процесса его преобразования в целях получения информации о величине, которая должна быть измерена, следующая:

Полезный сигнал



Первичный преобразователь (ПП)

Измеряемая величина Шум ПП

Измеритель

Измеренная величина Шум измерителя

Дискретный преобразователь

Массив измерений  Шум дискретизации

Фильтр



Обработанная информация


Физическая величина, являющаяся полезной (несущей в себе информацию), редко имеет такую физическую форму, что может быть непосредственно измеренной. Обычно она представляет лишь некоторую составляющую некоторой другой физической величины, которая может быть непосредственно измерена. Связь между этими двумя величинами обозначим введением звена, которое назовём первичным преобразователем (ПП). Обычно закон преобразователя известен заранее, иначе восстановить информационную составляющую в дальнейшем было бы невозможно. ПП вносит зависимость сигнала, который может быть измерен, от некоторых других физических величин. Поэтому выходная его величина содержит кроме полезной информационной составляющей, другие компоненты, искажающие полезную информацию. Назовём вносимую вредную составляющую ПП – шумом ПП. Далее, образованная таким образом непосредственно измеряемая величина измеряется измерителем, который так же вносит искажения – шумы измерителя.

Не ограничивая общности, будем считать выходную величину электрическим сигналом, который довольно просто преобразовать электрическими устройствами.

Для осуществления цифровой обработки измеренная величина должна быть преобразована в дискретную форму при помощи специального устройства, которое содержит экстраполятор и АЦП. Первый производит фиксацию отдельного текущего значения измеренной величины в отдельные моменты времени через постоянный промежуток времени, называемый дискретом времени. Второй (АЦП) - переводит его значение в цифровую форму (здесь тоже есть шумы, но они значительно меньше шумов ПП и измерителя).

Для того, чтобы на основе имеющегося дискретизированного сигнала получить полезный сигнал, нужно создать устройство или программу для ЭВМ, которая осуществила бы такие преобразования входного дискретного во времени сигнала, чтобы на его выходе искажения, внесённые шумами ПП и измерителя были минимизированы в некотором смысле. Это устройство называют фильтром.

В общем случае создание (проектирование фильтра) является задачей неопределённой, которая конкретизируется на основе информации о модели ПП, модели измерителя, о характеристиках изменения во времени шумов, о закономерностях их влияния на искажение полезной информации.

Традиционно задачу фильтрации решают только для некоторых наиболее распространённых на практике, чаще всего линейных моделей ПП и измерителя.

В общем случае процесс создания фильтра включает следующие этапы:

1. На основе априорной информации о моделях ПП и измерителя и о характеристиках шумов, а так же о задачах, которые должен решать фильтр, выбирается некоторый тип фильтра из известных, с разработанной теорией проектирования.
   
2. На основе конкретных числовых данных рассчитываются числовые характеристики выбранного типа фильтра (создаётся конкретный фильтр).
   
3. Проверяется эффективность выполнения разработанным фильтром поставленной задачи:
   

а) смоделировать на ЭВМ дискретный сигнал, содержащий полезную (информационную) составляющую с наложенными на неё предусмотренными шумами ПП и измерителя;

б) пропустить его через построенный фильтр и сравнить полученный на выходе сигнал с известной (в данном случае) полезной его составляющей – разность между ними будет характеризовать погрешности измерения на выходе фильтра.

4. Так как в реальных условиях некоторые характеристики шумов могут отличаться от принятых при проектировании (создании фильтра), могут быть полезны испытания эффективности работы фильтра в условиях, более приближённых к реальным, нежели принятые при проектировании.
   

Пакет SPT (Signal Processing Toolbox) позволяет осуществить операции 2, 3, 4, а так же:

Он позволяет:

4.1. Проектировать (рассчитывать конкретные числовые характеристики) цифровые и аналоговые фильтры по требуемым амплитудно- и фазо-частотным их характеристикам.

4.2. Формировать последовательности типовых временных сигналов и обрабатывать их спроектированными фильтрами.

4.3. Осуществлять преобразование Фурье, Гильберта, статистический анализ.

4.4. Рассчитывать корреляционные функции, спектральную плотность мощности сигнала, оценивать параметры фильтров по измеренным отсчетам входной и выходной последовательностей.


3. Распределение трудоемкости (час.) дисциплины по темам и видам занятий.

№ модуля	№ недели	№ темы	Наименование темы	Часы
				всего	лекции	л. з.	пр.з.	СРС
1	2	3	4	4	5	6	7	8
I	1, 2	1	Основные задачи и методы ЦОС. Содержание и структура дисциплины. Методика организации процесса обучения. Основы теории цепей и сигналов.	10	4	2		4
	3, 4	2	Преобразование Фурье импульсов. Спектральная функция. Обобщение преобразования Фурье. Преобразование Лапласа.	9	4	2	0	3
II	5, 6	3	Формирование типовых процессов. Формирование колебаний.	9	4	2	0	3
	7, 8, 9	4	Общие средства фильтрации.	14	6	3	0	5
III	10, 11	5	Формирование случайных процессов.	10	4	2	0	4
	12, 13	6	Спектральный анализ. Статистический анализ процессов	9	4	2	0	3
	14, 15,16	7	Аналогово-цифровые функциональные устройства.	12	6	2	0	4
IV	17	8	Программные средства схемотехнического моделирования.	7	2	2	0	3
		Итого		80	34	17	0	29

4. Содержание лекционного курса

№ темы	Всего часов	№ лекции	Тема лекции. Вопросы, отрабатываемые на лекции
1	2		3
1	2	1	Классификация сигналов и цепей. Радиотехнические цепи и методы их анализа. Основные законы теории цепей.
1	2	2	Регулярные колебания и их аналитическое описание. Разложение колебаний по системам ортогональных функций. Разложение периодических колебаний в ряды Фурье по системе тригонометрических функций.
2	2	3	Идея операционного исчисления. Преобразование Лапласа. Оригинал и изображение. Изображение простейших функций. Свойства преобразования Лапласа. Дифференцирование и интегрирование оригинала.
2	2	4	Теоремы смещения, запаздывания, свертывания. Формула Дюамеля. Таблица изображений распространенных функций. Решение дифференциальных уравнений 1-го, 2-го и более высокого порядков и систем операционным методом. Бесконечно-короткий импульс с единичной площадью – дельта-функция Дирака. Передаточная функция системы. Физический смысл передаточной функции. Импульсная характеристика.
3	2	5	Формирование отдельных импульсных процессов. Формирование гауссовых импульсов. Формирование волнового пакета.
3	2	6	Полигармонические колебания. Прямоугольные волны. Треугольные волны. Последовательности гауссовых импульсов. Косинусоида с линейно изменяемой частотой от времени
4	2	7	Общие основы линейной фильтрации. Преобразование сигнала с помощью линейного фильтра.
4	2	8	Восстановление полезного сигнала.
4	2	9	Двойная фильтрация как способ снижения фазовых искажений восстанавливаемого сигнала
5	2	10	Моделирование белого Гауссова шума. Формирование случайного процесса с заданной корреляционной функцией.
5	2	11	Основы спектрального (частотного) анализа. Примеры спектрального анализа. Фурье-изображение прямоугольного импульса. Фурье-изображение полигармонического процесса
6	2	12	Основы статистического анализа Фурье-изображение случайного процесса.
6	2	13	Спектральная плотность мощности. Автокорреляционная функция. Взаимная корреляционная функция случайных процессов
7	2	14	Аналогово-цифровые преобразователи. Цифро-аналоговые преобразователи.
7	2	15	Устройства выборки и хранения аналоговых сигналов. Схемотехника запоминающих устройств.
8	2	16	Компьютерное моделирование электронных устройств.
8	2	17	Применение системы MATLAB 5-6 для моделирования сигналов и устройств.

5. Перечень тем практических занятий

отсутствуют

6. Перечень лабораторных работ

№ темы	Всего часов	№ работы	Наименование лабораторной работы
1	2	3	4
3	2	1	Формирование отдельных импульсных процессов. Формирование гауссовых импульсов. Формирование волнового пакета.
3	2	2	Полигармонические колебания. Прямоугольные волны. Треугольные волны. Последовательности гауссовых импульсов. Косинусоида с линейно изменяемой частотой от времени
4	2	3	Моделирование белого гауссова шума. Формирование случайного процесса с заданной корреляционной функцией.
5	2	4	Преобразование сигнала с помощью линейного фильтра Восстановление полезного сигнала.
6	2	5	Двойная фильтрация как способ снижения фазовых искажений восстанавливаемого сигнала
6	2	6	Примеры спектрального анализа. Фурье-изображение прямоугольного импульса. Фурье-изображение полигармонического процесса
6	3	7	Основы статистического анализа Фурье-изображение случайного процесса. Спектральная плотность мощности. Автокорреляционная функция. Взаимная корреляционная функция случайных процессов
8	2	8	Применение системы MATLAB 5-6 для моделирования сигналов и устройств

7. Задания для самостоятельной работы студентов

№ темы	Всего часов	Вопросы для самостоятельного изучения	Литература
1	2	3	4
1-8	12	Программа Electronics Workbench и ее применение	5,6
1-8	17	Система MATLAB с пакетами расширений (Пакет Signal Processing Toolbox )	7,8

8. Курсовой проект

Не предусмотрен

9.Курсовая работа

Не предусмотрена

10. Расчетно-графическая работа

Не предусмотрена

11. Контрольная работа

Не предусмотрена

12. Экзаменационные вопросы

Классификация сигналов и цепей. Радиотехнические цепи и методы их анализа. Основные законы теории цепей.
Регулярные колебания и их аналитическое описание. Разложение колебаний по системам ортогональных функций. Разложение периодических колебаний в ряды Фурье по системе тригонометрических функций.
Идея операционного исчисления. Преобразование Лапласа. Оригинал и изображение. Изображение простейших функций. Свойства преобразования Лапласа. Дифференцирование и интегрирование оригинала.
Теоремы смещения, запаздывания, свертывания. Формула Дюамеля. Таблица изображений распространенных функций. Решение дифференциальных уравнений 1-го, 2-го и более высокого порядков и систем операционным методом. Бесконечно-короткий импульс с единичной площадью – дельта-функция Дирака. Передаточная функция системы. Физический смысл передаточной функции. Импульсная характеристика.
Формирование отдельных импульсных процессов. Формирование гауссовых импульсов.Формирование волнового пакета.
Полигармонические колебания. Прямоугольные волны. Треугольные волны. Последовательности гауссовых импульсов. Косинусоида с линейно изменяемой частотой от времени
Общие основы линейной фильтрации. Преобразование сигнала с помощью линейного фильтра.
Восстановление полезного сигнала. Двойная фильтрация как способ снижения фазовых искажений восстанавливаемого сигнала
Моделирование белого Гауссова шума. Формирование случайного процесса с заданной корреляционной функцией.
Основы спектрального (частотного) анализа. Примеры спектрального анализа. Фурье-изображение прямоугольного импульса. Фурье-изображение полигармонического процесса
Основы статистического анализа. Фурье-изображение случайного процесса.
Спектральная плотность мощности. Автокорреляционная функция. Взаимная корреляционная функция случайных процессов
Аналогово-цифровые преобразователи. Цифро-аналоговые преобразователи.
Устройства выборки и хранения аналоговых сигналов. Схемотехника запоминающих устройств.
Компьютерное моделирование электронных устройств.
Применение системы MATLAB 5-6 для моделирования сигналов и устройств.

13. Основная и дополнительная литература.

Основная:

1. Зиновьев А.Л., Филиппов Л.И. Введение в теорию сигналов и цепей. – М: Высшая школа,1975. – 262с.
   
2. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. – М: Сов. Радио, 1971. – 730с.
   
3. Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. – СПб.: КОРОНА, 1998. – 400с.
   
4. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов MATLAB 5.х. - М.:Диалог-Мифи, 1999. – 670с.
   
5. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench: В 2 т./ Панфилов Д.И., Чепурин И.Н., Миронов В.Н., Обухов С.Г., Шитов В.А., Иванов В.С. Под общей ред. Д.И. Панфилова – Т.1: Электротехника. – М.: ДОДЭКА, 1999. – 304 с., Т.2: Электроника. – М.: ДОДЭКА, 2000. – 288 с.
   
6. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IBM PC. Программа Electronics Workbench и ее применение. – М.: СОЛОН – Р, 2001. – 726 с.
   
7. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В., Круглов В.В. MatLab 5 с пакетами расширений./ Под ред. В.П. Дьяконова. – М.: Нолидж, 2001. – 880 с.
   
8. Лазарев Ю.Ф. MatLab 5.х – К.: Изд. группа BHV, 2000. – 384 с.
   
9. Мэтьюз Д., Финк К. Численные методы. Использование MATLAB..: ИД "Вильямс",2001. - 720с.
   
10. Гайдышев И. Анализ и обработка данных. Специальный справочник. - СПб.: Питер, 2001. - 752с.
    
11. Рудаков П.И., Сафонов В.И. Обработка сигналов и изображений. MATLAB 5.X. - М.: Диалог-МИФИ,2000. - 416с.
    
12. Оппенгейм А.В., Шафер Р.В. Цифровая обработка сигналов.М.: Связь,1979.- 416с.
    
13. Хемминг Р.В. Цифровые фильтры. М.: Сов. радио. - 1980, 224с.
    
14. Рабинер Л., Голд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир.- 1978, 880с.
    

Дополнительная

15. Клинаев Ю.В. Компьютерные моделирование в средах програмирования VBA и MatLab / Ю.В. Клинаев, А.М. Кац, М.Д.Элькин: Учеб. пособие. – Саратов:Сарат. Гос. техн. ун-т, 2002-98с..
    
16. Клинаев Ю.В. Постановка курс ”Микроэлектроника и схемотехника ЭВМ” на основе технологий пакетов “Electronics Workbench” и “MatLab” / Ю.В. Клинаев, А.М. Кац // Информационные технологии в образовании : Сборник трудов XI Междунар. Конференции-выставки, Москва, 5-9 ноября 2001г. – М., 2001. – Ч.Ш. –С.32-33.
    

14. Перечень технических средств обучения

Лабораторные работы предусмотрены в дисплейном классе ауд. 334, 335.

1. При использовании электронных вариантов руководств по лабораторным работам — рекомендуется использовать программы: MatLab, Microsoft Excel , Internet Explorer, или Netscape Navigator, или Microsoft Word, или Acrobat Reader.


Рабочая программа составлена на основе государственного образовательного стандарта (ГОС).


Рабочую программу составил

д.ф.-м.н., профессор ________________________________________Ю.В. Клинаев