Методы и средства цифровой обработки сигналов

Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
УТВЕРЖДАЮ:
Декан факультета АВТ
_______________С.А. Гайворонский
"____" ___________ 2006 г.
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
Рабочая программа для магистрантов направления "Информатика и
вычислительная
техника",
обучающихся
по
магистерским
программам:"Микропроцессорные системы", "Компьютерный анализ и
интерпретация данных".
Факультет автоматики и вычислительной техники (АВТФ)
Обеспечивающая кафедра - кафедра Вычислительной техники (ВТ)
Курс 5
Семестр 10
Учебный план набора 2006 года
Распределение учебного времени
Лекции
Лабораторные занятия
Всего аудиторных занятий
Самостоятельная (внеаудиторная) работа
Общая трудоемкость
Зачет в 10 семестре
2006
Дата разработки: 16.12.06
Разработчик: Марков Н.Г.
18 часов (ауд.)
18 часов (ауд.)
36 часа
72 часа
108 часов
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
Предисловие
Рабочая программа составлена на основе приказа № 1554 от 15.07.97 об
открытии магистерской подготовки по направлению 230100 (552800)
«Информатика и вычислительная техника» и приказа № 15/од от 28.03.2006г.
об открытии магистерской подготовки по программе «Компьютерный анализ и
интерпретация данных»
РАССМОТРЕНА и ОДОБРЕНА на заседании обеспечивающей кафедры
вычислительной техники.
«______» ________________2006г. протокол № __________
Разработчик
д.т.н., профессор,
зав. кафедрой ВТ ____________________________Н.Г.Марков
Зав. обеспечивающей кафедрой ВТ_____________Н. Г. Марков
Рабочая программа соответствует действующему плану.
Зав. выпускающей кафедрой ВТ ________________Н. Г. Марков
Дата разработки: 16.12.06
Разработчик: Марков Н.Г.
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
Аннотация
Рабочая программа учебной дисциплины «Методы и средства цифровой
обработки сигналов» предназначена для подготовки магистров по программам:
«Микропроцессорные системы», «Компьютерный анализ и интерпретация
данных».Содержание программы соответствует ОС ТПУ и включает следующие
разделы: преобразование аналоговых сигналов в цифровые; ортогональные
преобразования при цифровой обработке сигналов; метод быстрого
преобразования Фурье, класс несинусоидальных ортогональных функций;
применение ортогональных преобразований и обработка пространственных
данных.
Программа разработана д.т.н., профессором Марковым Николаем
Григорьевичем, кафедра вычислительной техники факультета автоматики и
вычислительной техники. E-mail: markov@ce.cctpu.edu.ru.
Abstract
The syllabus of the course «Methods and Tools of Digital Signal Processing» is
intended for preparing masters on programs «Microprocessor Systems», «Computer
analysis and Data Interpretation» of direction 230100 «Computer Science and
Computer Engineering».
The syllabus corresponds to the Educational Standard of TPU and includes the
following issues: transforming analog signals to digital ones; orthogonal
transformations in digital signal processing; fast Fourier transformation method; class of
non-sinusoidal orthogonal functions; applying orthogonal transformations and
processing spatial data.
The syllabus has been developed by Prof. Nikolay Grigorjevich Markov, Computer
Engineering Faculty of Automation and Computer Engineering Department. E-mail:
markov@ce.cctpu.edu.ru.
Дата разработки: 16.12.06
Разработчик: Марков Н.Г.
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
1 Цели и задачи учебной дисциплины
1.1 Целью преподавания дисциплины является усвоение студентами
особенностей преобразования аналоговых сигналов в цифровые, а также
изучение методов и средств цифровой обработки сигналов на основе различных
ортогональных преобразований. При этом у студентов должна быть
сформирована мотивация к самообразованию за счет активизации
самостоятельной познавательной деятельности.
В результате изучения по данной дисциплине студент должен понимать:
- научно - техническую терминологию в области цифровой обработки сигналов;
- междисциплинарный характер дисциплины.
Студент должен знать:
- вопросы дискретизации сигналов и квантования их по уровню;
- представление сигналов с помощью ортогональных преобразований;
- основные методы и алгоритмы вычисления дискретного преобразования
Фурье;
- дискретные преобразования на основе несинусоидальных ортогональных
функций (функции Уолша, Радемахера, Хаара);
- основные области применения ортогональных преобразований;
- основные методы обработки пространственных данных.
Студент должен уметь:
- выбирать метод и алгоритм ортогональных преобразований для решения
конкретных прикладных задач;
- обрабатывать сигналы в системе цифровой обработки сигналов ISP;
- выбирать метод обработки пространственных данных в зависимости от их
типа;
- выбирать обменные форматы с учетом особенностей системы, порождающей
данные и системы принимающей данные.
1.2 Задачами изложения и изучения дисциплины являются:
- изучение возможностей основных методов и алгоритмов цифровой обработки
сигналов на основе ортогональных преобразований, а также методов
обработки пространственных данных;
- применение этих методов и алгоритмов в решении конкретных научнотехнических задач обработки сигналов;
Дата разработки: 16.12.06
Разработчик: Марков Н.Г.
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
- организация учебного процесса, обеспечивающая активизацию познавательной
деятельности студента: чтение лекций с обсуждением проблем, подготовка
рефератов по вопросам, вынесенным на самостоятельное изучение.
2
Содержание теоретического раздела дисциплины
(лекции) - (18 часов)
2.1 Преобразование аналоговых сигналов в цифровые (2 часа).
Основные понятия. Дискретизация сигналов. Квантование сигналов по уровню.
Ортогональные преобразования при цифровой обработке сигналов (7
часов).
Представления сигнала с помощью ортогональных преобразований. Фурье –
представление сигналов. Фурье – представление временных
последовательностей. Дискретные преобразования Фурье. Обзор методов
вычисления дискретного преобразования Фурье. Метод быстрого
преобразования Фурье (БПФ). Наиболее употребительные процедуры БПФ.
Применение метода БПФ. Двухмерное БПФ. Алгоритм Винограда вычисления
дискретного преобразования Фурье.
2.2
2.3 Несинусоидальные ортогональные функции (5 часов).
Определение частости. Функции Радемахера и Хаара. Функции Уолша.
Упорядочение по частости или по Уолшу. Упорядочение по Пэли.
Упорядочение по Адамару. Преобразование Уолша-Адамара. Быстрое
преобразование Уолша-Адамара.
2.4 Обработка пространственных данных (4 часа).
Типы пространственных объектов. Модели пространственных данных. Методы
обработки пространственных данных. Конвертирование пространственных
данных. Перспективные форматы и стандарты пространственных данных.
Дата разработки: 16.12.06
Разработчик: Марков Н.Г.
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
3 Содержание практического раздела дисциплины
3.1 Лабораторные работы (18 час./18 час.)
3.1.1 Знакомство с системой цифровой обработки
сигналов ISP -
2 часа/2 часа
3.1.2 Вычисление свертки и корреляционной
последовательности с использованием программ
быстрого преобразования Фурье в системе ISP –
Исследование вопросов точности вычисления
свертки и корреляционной функции
3.1.3 Реализация преобразования Уолша-Фурье и
преобразования Фурье-Уолша –
8 часов/8 часов
8 часов/8 часов
Исследование точности проводимых
преобразований
Внеаудиторная работа (18 часов) включает освоение системы ISP, анализ
результатов компьютерных экспериментов и написание отчетов по
лабораторным работам.
4 Программа самостоятельной познавательной деятельности (54 часа)
4.1 Самостоятельная деятельность рассматривается как вид учебного труда,
позволяющий целенаправленно формировать и развивать самостоятельность
студента как его личностное качество.
Самостоятельная работа организуется в следующих формах:
- аудиторной, без преподавателя в компьютерном классе (при подготовке к
лабораторным работам с целью проведения компьютерных экспериментов
при исследовании вопросов точности изучаемых ортогональных
преобразований) (14 часов);
- аудиторной, без преподавателя в компьютерном классе (при решении
задач, вынесенных на самостоятельное изучение) - (20 часов);
- внеаудиторной (проработка книг, лекций, подготовка к экзамену) (20
часов).
Дата разработки: 16.12.06
Разработчик: Марков Н.Г.
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
4.2 Перечень задач, выносимых для самостоятельного выполнения:
1. Задачи спектрального анализа сложных сигналов, решаемых с
использованием программы быстрого преобразования Фурье.
Каждому студенту выдается для спектрального анализа свой
сложный сигнал.
исходный
2. Провести сравнительный анализ эффективности преобразований УолшаАдамара, упорядоченного по Адамару и преобразования Уолша-Адамара,
упорядоченного по Уолшу.
Сравнительный анализ проводится с использованием системы цифровой
обработки сигналов ISP.
3. Провести сравнительный анализ эффективности методов обработки
пространственных объектов типа «точка» и «полилиния».
4. Изучение областей применения ортогональных преобразований сигналов по
современным
литературным
источникам.
Написание
рефератов,
освещающих области применения этих преобразований.
5 Текущий и итоговый контроль результатов изучения дисциплины
5.1 При изучении дисциплины используются следующие виды контроля:
- текущий контроль за выполнением задач, вынесенных на самостоятельное
изучение;
- текущий контроль за написанием и защитой реферата по заданной теме
(области применения ортогональных преобразований сигналов);
- защита отчетов по лабораторным работам.
Итоговый контроль:
к сдаче зачета допускается студент, выполнивший и защитивший все отчеты по
лабораторным работам, защитивший реферат по теме вынесенной на
самостоятельное изучение и защитивший результаты решения задач 1, 2 и 3 из
перечня 4.2.
5.2 Образцы экзаменационных билетов
Билет №1
1 Метод быстрого преобразования Фурье.
2 Преобразование Уолша-Адамара, упорядоченное по Адамару.
Дата разработки: 16.12.06
Разработчик: Марков Н.Г.
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
Билет №2
1 Преобразование Уолша-Адамара, упорядоченное по Уолшу.
2 Дискретизация сигналов.
Билет №3
1 Квантование сигналов по уровню.
2 Прямой метод вычисления дискретного преобразования Фурье. Алгоритм
Герцеля.
Билет №4
1 Быстрое преобразование Уолша-Адамара, упорядоченное по Адамару.
2 Функции Радемахера и Хаара.
Билет №5
1 Вывод формул быстрого преобразования Фурье.
2 Алгоритм Винограда вычисления дискретного преобразования Фурье.
6 Учебно-методическое обеспечение дисциплины
6.1 Перечень обучающих программ, используемых в дисциплине:
1 Программное обеспечение системы цифровой обработки сигналов ISP и
руководство пользователя системы ISP.
6.2 Перечень рекомендованной литературы
Основная
1 Ахмед Н., Рао К.Р. Ортогональные преобразования при обработке цифровых
сигналов: Пер. с англ./Под ред. И.Б.Фоменко. – М.: Связь, 1980. – 248 с.
2 Залманзон Л.А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в
управление, связи и других областях. – М.: Наука, 1989. – 496 с.
Дата разработки: 16.12.06
Разработчик: Марков Н.Г.
Рабочая программа учебной
дисциплины
Ф ТПУ 7.1 – 21/01
3 Марков Н.Г. Методы и средства цифровой обработки сигналов: Учебное
пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 1997. – 120 с.
4 Кошкарев А.В. Толковый мини-словарь основных терминов по геоинформатике
(с английскими эквивалентами)//М.: Изд-во ГИС-Ассоциации, 2003, - 264с.
5 Кошкарев А.В., Сорокин А.Д. Форматы и стандарты цифровой
пространственной информации // ГИС-обозрение, весна 1995 г. – с.40-45.
6 Медведев Е.М. Методы обработки элементарных пространственных объектов//
Геопрофи, 2006, №5,- с.39-42.
Дополнительная
7 Гайфулин Б.Н. Диалоговая система моделирования и цифровой обработки
сигналов ISP. Описание. Руководство пользователя. – Черноголовка.: ИПТМ
АН СССР. – 1992. – 25с.
Дата разработки: 16.12.06
Разработчик: Марков Н.Г.