2

1. Цели и задачи дисциплины

Дисциплина «Цифровая обработка сигналов» является дисциплиной базовой части

профессионального цикла в подготовке магистров.

Целью настоящей дисциплины является ознакомление студентов с теоретическими основами

и практическими приемами цифровой фильтрации, обработки и преобразований данных в

современных системах регистрации, накопления, обработки и представления информации.

Задачи дисциплины: изучение в требуемом объеме соответствующего математического аппарата цифровой обработки сигналов; изучение способов реализации эффективных алгоритмов преобразования и анализа информационных данных на современных персональных компьютерах.

2. Место дисциплины в структуре ООП Дисциплина «Цифровая обработка сигналов» входит в профессиональный цикл (базовая часть) подготовки магистров.

Магистр, начинающий изучение дисциплины «Цифровая обработка сигналов», должен знать изученные им ранее дисциплины «Устройства приема и обработки сигналов»

Последующие дисциплины: «Научно-производственная практика», «Научноисследовательская практика», «Научно-исследовательская работа»

3. Требования к результатам освоения дисциплины 3.1. В результате освоения дисциплины «Цифровая обработка сигналов» должны быть сформированы следующие компетенции:

способность совершенствовать и повышать свой интеллектуальный и общекультурный уровень (ОК-1);

способность профессионально эксплуатировать современное оборудование и приборы (в соответствии с целями магистерской программы) (ПК-4);

способность проектировать приборные системы и технологические процессы, с использованием средств автоматизации проектирования и опыта разработки конкурентоспособных изделий (ПК-10);

способность организовать в подразделении работы по совершенствованию, модернизации, унификации выпускаемых приборных систем и их элементов (ПК-28);

3.2. В результате освоения дисциплины студент должен демонстрировать освоение указанными компетенциями по дескрипторам «знания, умения, владения», соответствующие тематическим модулям дисциплины, и применимые в их последующем обучении и профессиональной деятельности:

- Знать:

З.1. Физические и математические основы преобразования сигналов при цифровой обработке и связанные с ними искажения и погрешности.

З.2. Математические алгоритмы цифровой фильтрации и спектрально-корреляционного анализа сигналов.

З.3. Методы синтеза цифровых фильтров и оценки точности ЦОС.

- Уметь:

У.1. Составить техническое задание на разработку устройства или системы ЦОС.

У.2. Обосновать необходимые параметры дискретизации и квантования.

У.3. Выбрать наиболее эффективный алгоритм обработки сигнала.

- Владеть:

В1. Методами разработки аппаратного и программного обеспечения ЦОС.

3.3. Проектируемые результаты и признаки формирования компетенций.

Компетентностная модель дисциплины Проектируемые результаты освоения дисциплины «Цифровая обработка Средства и Технологии Индекс сигналов» и индикаторы формирования технологии формирования компетенции компетенций оценки компетенции Знания (З) Умения (У) Навыки (В) ОК-1 экзамен, 6.1.1 – 6.1. + контрольные работы, устный опрос, ПК-4 + экзамен, 6.1.1 – 6.1. контрольные работы, устный опрос, ПК-10 + + экзамен, 6.1.1 – 6.1. контрольные работы, устный опрос, ПК-28 + + + экзамен, 6.1.1 – 6.1. контрольные работы, устный опрос, 4. Объем дисциплины и виды учебной работы в часах и зачетных единицах Очная форма обучения Вид занятий Всего Семестры (час./ 1 2 3 4 5 6 7 8 зач.ед. ) Всего аудиторных занятий: 32 Лекции 8 Практические занятия Лабораторные работы 24 Самостоятельная работа: 112 Самостоятельное изучение материала дисциплины и подготовка к зачетам Курсовая работа Домашнее задание 10 Проработка лекций 66 Количество часов на экзамен 36 Всего по дисциплине 144 Вид аттестации за семестр (зачет, Экз. Экз.

дифференцированный зачет, экзамен) 5. Содержание дисциплины по модулям и видам учебных занятий 5.1.Содержание дисциплины по модулям 5.1.1 Преобразование дискретных сигналов 5.1.2. Быстрое преобразование Фурье 5.1.3. Цифровые фильтры 5.1.4. Интерполяция и децимация цифровых сигналов Модуль 1. Преобразование дискретных сигналов Дискретное преобразование Фурье. Z - преобразование и его свойства. Л, С Обратное Z - преобразование.

Передаточные функции в Z - области. Теорема временного сдвига. Цифровая С передаточная функция. Разностное уравнение. Методы решения разностных уравнений (численное решение).

Построение цифровой передаточной функции. Билинейное преобразование. С Согласованное Z - преобразование. Свойства, особенности.

Быстрое преобразование Фурье. Алгоритм БПФ с прореживанием по времени. Л, С Алгоритм БПФ с прореживанием по частоте. Программная реализация алгоритма БПФ.

Операции над спектрами в технике связи. Перенос и инверсия спектра. С Формирование сигнала с одной боковой полосой.

Цифровые фильтры. Классификация. Рекурсивные и нерекурсивные цифровые Л, С фильтры. Методы проектирования. Формы реализации цифровых фильтров.

Средства цифровой фильтрации. Реализация цифровых фильтров на основе микропроцессоров. О крутизне скатов частотной характеристики цифровых фильтров.

Многозвенные (последовательные) цифровые фильтры. Ошибки квантования в С цифровых фильтрах. Влияние квантования на выход¬ной сигнал цифрового фильтра.

Основы синтеза цифровых фильтров. Методы решения аппроксимационных С задач. Синтез рекурсивных цифровых фильтров во временной и частотной областях. Расчет фильтров с ограничениями на временные и частотные характеристики.

4 Модуль 4. Интерполяция и децимация цифровых сигналов Интерполяция и децимация цифровых сигналов. Уравнения и принцип работы Л, С простейшей системы интерполяции с целочисленным коэффициентом L.

Экспандер частоты дискретизации. Уравнения и принцип работы простей¬шей системы децимации с целочисленным коэффициентом L. Компрессор частоты дискретизации.

Квадратурная обработка сигналов. Цифровая модуляция и демодуляция С 5.2. Содержание лабораторных занятий 5.2.2. Содержание лабораторных работ Цель лабораторных и практических работ – закрепление теоретических знаний о методах и способах цифровой обработки сигналов. Лабораторные работы выполняются группой. За период обучения студент выполняет 4 лабораторные работы и 4 практические работы из предложенного перечня в соответствии с графиком, разработанным для каждой бригады.

Дискретизация и восстановление сигналов.

Дискретное преобразование Фурье.

Проектирование цифровых фильтров.

Квадратурная обработка сигналов.

6. Образовательные технологии.

6.1.Для достижения планируемых результатов освоения дисциплины «Цифровая обработка сигналов» используются следующие образовательные технологии:

6.1.1. Информационно-развивающие технологии.

6.1.2. Деятельностные практико-ориентированные технологии 6.1.3. Развивающие проблемно-ориентированные технологии.

6.1.4. Личностно-ориентированные технологии обучения.

Case-study Контекстное обучение Обучение на основе опыта Индивидуальное обучение Междисциплинарное обучение Опережающая работа 6.2.Интерактивные формы обучения (в соответствии с положением П ОмГТУ 75.03-2012. «Об использовании в образовательном процессе активных и интерактивных форм проведения учебных занятий») № Семестр, Применяемые технологии интерактивного обучения Кол-во 7. Самостоятельная работа студентов (указываются все виды работ в соответствии с учебным планом) Самостоятельная работа направлена на закрепление и углубление полученных теоретических и практических знаний, развитие навыков практической работы.

7.1.Объем СРС и распределение по видам учебных работ в часах 1. Самостоятельное изучение отдельных тем дисциплины; поиск и обзор литературы и электронных источников; чтение и изучение учебника и учебных пособий.

2. Подготовка к лабораторным занятиям, оформление отчетов к лабораторным работам 7.2. Использование результатов обучения при проведении научно-исследовательской работы Знания (З) Умения (У) Навыки (В) Результаты обучения, используемые в НИР магистра 8. Методическое обеспечение системы оценки качества освоения программы дисциплины К промежуточной аттестации студентов по дисциплине «Цифровая обработка сигналов»

могут привлекаться в качестве внешних экспертов: представители базовых предприятий радиотехнического профиля.

8.1. Фонды оценочных средств (в соответствии с П ОмГТУ 73.05 «О фонде оценочных средств по дисциплине») Фонд оценочных средств позволяет оценить знания, умения и уровень приобретенных компетенций.

Фонд оценочных средств по дисциплине «Цифровая обработка сигналов» включает:

- экзаменационные билеты;

- экзаменационные вопросы;

- вопросы для допуска к выполнению лабораторных работ;

- вопросы к итоговому заданию по лабораторному практикуму;

- набор вариантов контрольных работ.

- задания для проведения занятий в интерактивной форме Оценка качества освоения программы дисциплины «Цифровая обработка сигналов»

включает текущий контроль успеваемости, промежуточную аттестацию (по модулям), итоговую аттестацию.

Студентам предоставлена возможность оценивания содержания, организации и качества учебного процесса.

8.2. Контрольные вопросы по дисциплине Модуль 1.

1. В соответствии с каким алгоритмом осуществляется обработка сигнала рекурсивным цифровым фильтром?

2. Как определяется импульсная характеристика цифрового фильтра, какие цифровые фильтры называют фильтрами БИХ и КИХ-типа?

3. Какой смысл имеют коэффициенты нерекурсивных цифровых фильтров?

4. Возможна ли практическая реализация рекурсивных фильтров на основе дискретной временной свертки?

5. Как определяется Z-преобразование дискретных последовательностей, каковы его основные свойства и какую роль оно играет в теории цифровых фильтров?

6. Как определяются передаточная функция и частотная характеристика цифрового фильтра и какова их связь с его импульсной характеристикой?

7. В чем особенности частотных характеристик цифровых фильтров и чем они обусловлены?

8. Как определяется передаточная функция рекурсивного фильтра по его разностному уравнению?

9. Какой вид имеет нуль-полюсная форма передаточной функции рекурсивного фильтра и каково ее практическое значение?

10. Как отображаются нули и полюсы цифрового фильтра на комплексной Z-плоскости и какую информацию о фильтре можно получить по картине его нулей и полюсов?

Модуль 2.

1. Что такое апертурная погрешность УВХ и АЦП?

2. Как изменяется спектр сигнала при цифроаналоговом преобразовании?

3. Как зависят искажения восстановления сигнала от частоты дискретизации и максимальной частоты его спектра в основной полосе?

4. Какова математическая модель квантования сигнала по уровню, т. е. алгоритм преобразования дискретного сигнала в дискретный квантованный?

5. Как определяется погрешность квантования дискретного квантованного сигнала?

6. Каков алгоритм преобразования дискретного квантованного сигнала в цифровой (алгоритм цифрового кодирования)?

7. При каком условии цифровой и дискретный сигналы математически адекватны?

8. Как выражаются погрешности квантования для цифрового сигнала, представленного в дробном формате?

9. Как определяется автокорреляционная функция и спектральная плотность шума квантования АЦП?

10. Из каких условий выбирается необходимая разрядность АЦП?

11. На сколько изменяется отношение мощности сигнала к мощности шума квантования при увеличении разрядности АЦП на 1 бит?

Модуль 3.

1. Какие возможны формы реализации рекурсивных фильтров и как они описываются математически?

2. Каковы структура и математическое описание прямой и канонической форм реализации рекурсивных звеньев второго порядка?

3. Какова связь между коэффициентами и нулями. полюсами для каскадной и параллельной форм реализации РФ?

4. Какова структура и математическое описание нерекурсивного фильтра на основе ДВС?

5. Каково условие линейности фазочастотной характеристики нерекурсивного фильтра?

6. Какой объем вычислительных операций выполняется в рекурсивном и нерекурсивном фильтрах при обработке одного отсчета сигнала?

7. Как аналитически может быть найден отклик рекурсивного и нерекурсивного фильтров на заданное входное воздействие?

8. Покажите, как найти отклик рекурсивного и нерекурсивного фильтров на сигнал типа единичный скачок в соответствии с алгоритмами обработки, которые они реализуют?

Модуль 4.

1. Какие преобразования сигналов имеют место в системе цифровой обработки аналоговых сигналов?

2. Что такое дискретный сигнал и дискретная последовательность?

3. В чем заключаются взаимосвязь и отличие спектров дискретного и аналогового сигналов?

4. Можно ли по известному спектру дискретного сигнала найти спектр соответствующего ему аналогового сигнала?

5. Как по известному спектру аналогового сигнала определить спектр соответствующего ему дискретного сигнала?

6. В чем заключается и как проявляется наложение спектров при дискретизации сигналов?

7. Из каких условий выбирается частота дискретизации аналоговых сигналов?

8. Каким образом могут быть уменьшены искажения, связанные дискретизацией сигнала?

9. Покажите, как преобразуется спектр периодического сигнала при дискретизации с частотой, меньшей частоты сигнала?

9. Ресурсное обеспечение дисциплины.

9.1. Материально-техническое обеспечение дисциплины 9.1.2. Технические средства обучения и контроля 1. Персональные ЭВМ с соответсвующим программным обеспеченикм 2. Отладочные платы для цифровых сигнальных процессоров 3. Осциллографы 4. Видеопроектор 9.1.3. Вычислительная техника 1. Персональные ЭВМ с соответствующим программным обеспечением 9.2. Учебно-методическое и информационное обеспечение 9.2.1. Основная литература 1. Алексеева, Наталья Ильинична. Интегральные микросхемы:проектирование,технология [Текст] : учеб. пособие / Алексеева Н.И., Рубан Н.В.; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2012. - 106с.

(Гриф) – в ОмГТУ - 28 экз.(ЭБС)