ПУД ЦОСx - Высшая школа экономики

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины Цифровая обработка сигналов для направления 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» подготовки бакалавра
Правительство Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
"Национальный исследовательский университет
"Высшая школа экономики"
Московский институт электроники и математики Национального
исследовательского университета "Высшая школа экономики"
Факультет «Электроники и телекоммуникаций»
Программа дисциплины «Цифровая обработка сигналов»
для направления 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» подготовки бакалавра
Автор программы:
Аминев Дмитрий Андреевич, к.т.н., ст.преп., aminev.d.a@ya.ru
Одобрена на заседании кафедры«Радиоэлектроники и телекоммуникаций»
Зав. кафедрой Увайсов С.У.
«___»____________ 20 г
Рекомендована профессиональной коллегией УМС по электронике
Председатель С.У. Увайсов
«___»____________ 20 г
Утверждена Учёным советом МИЭМ
Москва, 2013
Настоящая программа не может быть использована другими подразделениями университета и
другими вузами без разрешения кафедры-разработчика программы.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины Цифровая обработка сигналов для направления 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» подготовки бакалавра
Область применения и нормативные ссылки
Настоящая программа учебной дисциплины устанавливает минимальные требования к знаниям и умениям студента и определяет содержание и виды учебных занятий и отчетности.
Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, учебных ассистентов и студентов направления подготовки/ специальности 210700.62 «Инфокоммуникационные
технологии и системы связи», изучающих дисциплину «Цифровая обработка сигналов».
Программа разработана в соответствии с:
 ФГОС
 Образовательной программой для направления 210700.62 «Инфокоммуникационные
технологии и системы связи» .
 Рабочим учебным планом университета по направлению подготовки/ специальности
210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», утвержденным в
201_г.
1
Цели освоения дисциплины
Целью освоения дисциплины «Цифровая обработка сигналов» является получение представления:


2
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.
Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины
В результате освоения дисциплины студент должен:
Знать







методы математического описания линейных дискретных систем;
основные этапы проектирования цифровых фильтров;
основные методы синтеза и анализа частотно-избирательных цифровых фильтров;
методы математического описания цифровых фильтров в виде структуры;
метод математического описания дискретных сигналов с помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ);
алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ);
принципы оценки шумов квантования в цифровых фильтрах с фиксированной точкой;
Уметь



объяснять математическое описание линейных дискретных систем в виде алгоритмов;
выполнять компьютерное моделирование линейных дискретных систем на основе их математического описания;
задавать требования к частотным характеристикам цифровых фильтров;
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины Цифровая обработка сигналов для направления 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» подготовки бакалавра






обосновывать выбор типа цифрового фильтра, КИХ или БИХ (с конечной или бесконечной
импульсной характеристикой);
синтезировать цифровой фильтр и анализировать его характеристики средствами компьютерного моделирования;
обосновывать выбор структуры цифрового фильтра;
выполнять компьютерное моделирование структуры цифрового фильтра;
вычислять ДПФ дискретного сигнала с помощью алгоритмов БПФ средствами компьютерного моделирования;
решать задачи цифровой обработки с САПР для моделирования ПЛИС
Владеть:




3
навыками составления математических моделей линейных дискретных систем и дискретных
сигналов;
навыками компьютерного моделирования линейных дискретных систем;
навыками компьютерного проектирования цифровых фильтров;
навыками компьютерного вычисления ДПФ на основе БПФ.
Место дисциплины в структуре образовательной программы
Дисциплина относится к общенаучному циклу с направленностью на формирование общей
высокой профессиональной культуры разработчика-системотехника, схемотехника, конструктора,
технолога (маркетолога) и организатора проектирования и производства (управленца). Дисциплина
«Цифровая обработка сигналов» используется для выполнения ВКР и в дальнейшей трудовой,
научно-исследовательской деятельности.
Настоящая дисциплина относится к циклу научно-технических дисциплин и блоку дисциплин, обеспечивающих подготовку специалиста.
Изучение данной дисциплины базируется на следующих дисциплинах:

философия, физические основы микроэлектроники, основы проектирования ЭС и радиоэлектроники.
Для освоения учебной дисциплины, студенты должны владеть следующими знаниями и
компетенциями:

Знать теоретические и практические основы проектирования радиотехнических систем;

Иметь навыки применения методов проектирования и принятия решений
Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при изучении
следующих дисциплин:

математические методы в электродинамике, моделирование технических систем, технологии
передачи информации.
Дисциплина «Цифровая обработка сигналов» относится к базовой части профессионального цикла.
При освоении дисциплины «Цифровая обработка сигналов» обучающимся необходимо:
Знать:






физические принципы действия электронных средств;
классификацию электронных приборов, аппаратов и систем;
проблемы обеспечения надежной работы электронных средств;
элементы начертательной геометрии и инженерной графики;
геометрическое моделирование и программные средства компьютерной графики;
теоретические основы электроники, методы составления и исследования уравнения электродинамики;
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины Цифровая обработка сигналов для направления 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» подготовки бакалавра
принципы действия средств измерений и методы измерений различных физических величин;
основы математического моделирования медицинских приборов;


Уметь:
проводить анализ и расчет линейных цепей переменного тока, включая цепи с нелинейными
элементами;
 применять принципы и методы построения моделей, методы анализа, синтеза и оптимизации
при создании и исследовании электронных приборов;
 выполнять проекты разработки электронных приборов на базе типовых средств;
Владеть:
 современными программными средствами подготовки конструкторско-технологической документации;
 принципами и методами моделирования, анализа, синтеза и оптимизации систем;
 типовыми пакетами прикладных программ, применяемые при проектировании аппаратов,
приборов и систем медицинского назначения.
Эти знания, умения и навыки должны быть приобретены в результате освоения следующих дисциплин, предшествующих дисциплине «Цифровая обработка сигналов»:
 Математика (алгебра и геометрия, математический анализ, дифференциальные уравнения);
 Физика (электродинамика);
 Инженерная и компьютерная графика;
 Электротехника (моделирование и расчет электрических цепей постоянного и переменного
тока);
 Электроника (характеристики и параметры полупроводниковых приборов);
 Инженерная физика;
 Микропроцессорная техника;
 Информационные технологии;

4
Тематический план учебной дисциплины
[ Таблица для дисциплин, закрепленных за одной кафедрой]
№
Название раздела
Всего
часов
Аудиторные
часы
Лек- Лаб.ра
ции
б
Самостоятельная
работа
1
Общая трудоемкость дисциплины
1.1 Дискретные и цифровые сигналы и системы.
1 Методы математического описания и
анализа.
90
17
36
7
18
3
36
7
1.2 Рекурсивные и нерекурсивные цифровые
фильтры.
1
методы структурной реализации
и синтеза.
18
7
4
7
1.3 Методы цифровой фильтрации и спектрально-корреляционного
1
анализа сигналовна основе дискретного преобразования Фурье.
1.4 Специальные методы и приложения цифровой обработки сигналов.
1
1.5 Методы и средства аппаратно- программной реализации цифровой обработки сигналов.
ИТОГО
20
8
4
8
18
7
4
7
17
7
3
7
54
36
18
16
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины Цифровая обработка сигналов для направления 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» подготовки бакалавра
Формы контроля знаний студентов
Тип контроля Форма контроля
1 год
3
4
Котрольная
Котрольная раЗачет
работа
бота
Итоговый
Зачет
Зачет
4.1
Параметры
Моделирование
на ЭВМ
Устный зачет
Критерии оценки знаний, навыков
Критерии оценки работы на семинарах: знание материала, умение сообщать материал, умение дополнять ответы, умение задавать существенные вопросы и формулировать проблему, умение
готовить и презентовать доклады, посещаемость.
Критерии оценки ответа на зачете: наличие сданного вовремя домашнего задания, знание
материала (суть, основные теории, подходы, методы, критика), умение выделить существенное,
умение логически и аргументировано излагать материал.
Оценки по всем формам текущего контроля выставляются по 10-ти балльной шкале.
Критерии оценки ответа на зачете
(наличие сданного вовремя домашнего задания, знание материала (суть, основные теории, подходы,
методы, критика), умение выделить существенное, умение логически и аргументировано излагать
материал)
Оценка
Критерии
«Отлично»: 10
Данная оценка может быть выставлена только при условии соответствия ответа всем предъявляемым требованиям и высшей оценки по
всем критериям.
«Отлично»: 9, 8
Данные оценки могут быть выставлены только при условии соответствия ответа всем предъявляемым требованиям и высокой оценке по
всем критериям.
«Хорошо»: 7, 6
«7» - данная оценка может быть выставлена только при условии
полного соответствия ответа 4 из 5 предъявляемым критериям и 1
(кроме домашнего задания и контрольной работы) критерий может
быть выполнен частично.
«6» - данная оценка может быть выставлена только при условии
полного соответствия ответа 3 (кроме домашнего задания и контрольной работы) предъявляемым критериям.
«Удовлетворительно»:
«5» - данная оценка может быть выставлена только при условии
5, 4
полного соответствия зачетной работы 2 (кроме домашнего задания
и контрольной работы) предъявляемым критериям и 2 критерия могут быть выполнены частично.
«4» - данная оценка может быть выставлена только при условии
полного соответствия зачетной работы 2 предъявляемым критериям.
«Неудовлетворительно»: Ответ не соответствует большинству предъявляемых критериев
3, 2, 1
«Ответ не принимает- Зачет не сдан.
ся»: 0
Оценки по всем формам текущего контроля выставляются по 10-ти балльной шкале.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины Цифровая обработка сигналов для направления 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» подготовки бакалавра
6.2.
Порядок формирования оценок по дисциплине
Преподаватель оценивает работу студента на лабораторных работах, уровень посещаемости
лекционных занятий, выполнение контрольной работы, ответ студента на итоговом зачете.
Критерии оценки работы на лабораторных работах: знание материала, умение сообщать материал, умение дополнять ответы, умение задавать существенные вопросы и формулировать проблему, умение готовить и презентовать доклады, посещаемость. Оценки за работу на лекционных
занятиях преподаватель выставляет в рабочую ведомость. Накопленная оценка по 10-ти балльной
шкале за работу на лабораторных и лекционных занятиях определяется перед промежуточным или
итоговым контролем.
Критерии оценки самостоятельной работы: умение найти в отечественной и зарубежной литературе и выделить наиболее важные работы по теме, наиболее полные и современные работы по
теме; умение структурировать изложение темы, уровень владения понятиями. Оценки за самостоятельную работу студента преподаватель выставляет в рабочую ведомость.
Критерии оценки ответа на зачете: наличие сданных вовремя лабораторных работ, знание
пройденного материала, умение выделить существенное, умение логически и аргументировано излагать материал.
Накопленная оценка за текущий контроль учитывает результаты студента по текущему контролю следующим образом:
Отекущий = 0,4·Олаб.раб + 0,3·Олекц. + 0,3·Ок.р.;
Способ округления накопленной оценки текущего контроля – арифметический.
На пересдаче студенту предоставляется возможность получить дополнительный балл для
компенсации оценки за текущий контроль, если существуют уважительные причины пропуска соответствующий занятий (больничный, больничный на ребенка, форс-мажорные обстоятельства),
студент демонстрирует, что отлично (хорошо) владеет материалом, умеет рефлексивно работать,
логически мыслить, обсуждать проблемы.
На зачете студент может получить дополнительный вопрос (дополнительную практическую
задачу, решить к пересдаче домашнее задание), ответ на который оценивается в 1 балл.
Результирующая оценка за итоговый контроль в форме зачета выставляется по следующей
формуле, где Озачет – оценка за работу непосредственно на зачете:
Оитог. = 0,35·Озачет + 0,55·Отекущий+ 0,1 Одоп.вопрос
В диплом ставится оценка за итоговый контроль, которая является результирующей оценкой
по учебной дисциплине.
ВНИМАНИЕ: оценка за итоговый контроль блокирующая, при неудовлетворительной итоговой оценке она равна результирующей.
7. Содержание дисциплины
Лекции – 36 часов, лабораторные работы - 18 часов, самостоятельная работа - 36 часов.
Раздел 1 Дискретные и цифровые сигналы и системы. Методы математического описания и анализа.
Раздел 2 Рекурсивные и нерекурсивные цифровые фильтры. методы структурной реализации и синтеза.
Раздел 3 Методы цифровой фильтрации и спектрально-корреляционного анализа сигналовна основе
дискретного преобразования Фурье.
раздел 4 Специальные методы и приложения цифровой обработки сигналов.
Раздел 5 Методы и средства аппаратно-программной реализации цифровой обработки сигналов.
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины Цифровая обработка сигналов для направления 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» подготовки бакалавра
8. Образовательные технологии
При реализации различных видов учебной работы по данной дисциплине используются следующие образовательные технологии: лекции, тренинги, решение практических задач и диалоги со
слушателями. Благодаря диалогу, студенты получают возможность осваивать способы преломления
концептуальных моделей и теоретических категорий в практику самопознания и консультирования
9. Оценочные средства для текущего контроля и аттестации студента
9.1. Темы лабораторных работ
ЛР-1 –Установка и освоение САПР Quartus II для моделирования алгоритмов ЦОС на ПЛИС
фирмы Altera.
ЛР-2 – Установка и освоение САПР Xilinx ISE для моделирования алгоритмов ЦОС на
ПЛИС фирмы Xilinx.
ЛР-3 – Создание проектов САПР для ПЛИС
ЛР-4 – Синтез и моделирование в САПР простейших логических элементов.
ЛР-5 – Синтез и моделирование в САПР простых цифровых устройств.
ЛР-6 – Написание модулей цифровых устройств на языке программирования ПЛИС Verilog.
ЛР-7 – Написание модулей цифровых устройств на языке программирования ПЛИС VHDL.
ЛР-8 – Синтез комбинационных схем в САПР на языках Verilog и VHDL.
ЛР-9 – Синтез последовательностных устройств и элементов памяти в САПР на языках
Verilog и VHDL
ЛР-10 – Создание преобразователей потоков данных.
ЛР-11 – Моделирование схем сопряжения интерфейсных соединений.
ЛР-12 – Принципы буфферизации данных и их реализация на ПЛИС.
ЛР-13 – Синтез на ПЛИС простейших цифровых фильтров.
9.2.Вопросы для оценки качества освоения дисциплины
Примерный перечень вопросов к зачету по всему курсу для самопроверки специалистов.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
Введение в цифровую обработку сигналов. Сигналы и их преобразования при цифровой обработке
Общая структура системы цифровой обработки аналоговых сигналов.
Математические модели дискретных сигналов
Спектр дискретного сигнала
Квантование сигналов по уровню
Цифровое кодирование сигнала
Условия выбора разрядности АЦП
Математические описания и характеристики дискретных систем
Тестовые последовательности дискретных систем
Передаточная функция и частотная характеристика дискретной системы
Характеристики и структуры цифровых фильтров
Синтез рекурсивных фильтров по заданной частотной характеристике
Синтез нерекурсивных фильтров по
заданной частотной характеристике
Оценка и обеспечение точности цифровых фильтровАлгоритм цифровой фильтрации сигналов
на основе дискретного преобразования ФурьеАнализаторы спектра сигналов на основе
дискретного преобразования ФурьеCпектрально-корреляционный анализ
дискретных случайных сигналов
Алгоритмы быстрого преобразования ФурьеМетоды многоскоростной обработки сигналов
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Программа дисциплины Цифровая обработка сигналов для направления 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» подготовки бакалавра
20.
21.
22.
23.
24.
25.
Методы переноса и преобразования спектров дискретных сигналов
Цифровая обработка сигналов в многоканальных системах
связи с частотным уплотнением каналов
Системы многоканального полосового анализа – синтеза сигналов
Реализация цифровой обработки сигналов на основе микропроцессорных средств
Программирование цифровых сигнальных процессоров и ПЛИС
10.Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
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.
Дополнительная литература:
5.
Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов. — М.—СПб.—Киев: Вильямс, 2004.
6.
Гольденберг Л. М., Матюшкин Б. Д., Поляк М. Н. Цифровая обработка сигналов. Справочник. — М.: Радио и связь, 1985.
7.
Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов. — М.: Бином, 2006.
8.
Марпл С. Л. (мл.). Цифровой спектральный анализ и его приложения / Пер. с англ. — М.:
Мир, 1990.
11.Материально-техническое обеспечение дисциплины
Для проведения практических занятий по дисциплине необходимы:
- аудитория оснащенная видеопроектором, интерактивной доской, компьютерами и аудио системой.
в) программное и коммуникационное обеспечение
1.
2.
3.
4.
WindowsXP.
Quartus II
Xilinx ISE
MATLAB.