Цифровая обработка сигналов: Рабочая программа

Министерство образования Российской Федерации Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

Для подготовки дипломированных специалистов по направлению 654600 – “Информатика и вычислительная техника” по специальности 220400 – “Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем”

Санкт-Петербург 2001

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет “ЛЭТИ”

“УТВЕРЖДАЮ” Проректор по учебной работе проф. ___________ Ушаков В.Н. “_____”_______________2001 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ

Для подготовки дипломированных специалистов по направлению 654600 – “Информатика и вычислительная техника” по специальности 220400 – "Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем”

Факультет компьютерных технологий и информатики Кафедра математического обеспечения и применения ЭВМ Курс – 5 Семестр – 9 Лекции

32 ч.

Текущий контроль

9 семестр

Лабораторные работы

16 ч.

Зачет

9 семестр

Аудиторные занятия Самостоятельные занятия Всего часов

48 ч. 52 ч. 100 ч.

2001

2

Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры математического обеспечения и применения ЭВМ “____”_______________2001 г., протокол №______. Рабочая программа составлена в соответствии с государственным образовательным стандартом подготовки дипломированных специалистов по направлению 654600 – “Информатика и вычислительная техника” по специальности 220400 – “Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем" . Рабочая программа согласована с рабочей программой изученной ранее дисциплины «Программирование». Рабочая программа “____”_____________2001г.

утверждена

на

3

методической

комиссии

ФКТИ

Цели и задачи дисциплины 1. Изучение базовых алгоритмов цифровой обработки сигналов. 2. Формирование практических навыков реализации систем цифровой обработки сигналов. Рабочая программа согласована с рабочими программами изученных ранее дисциплин: 1) Высшая математика. 2) Теория автоматического управления. 3) Программирование и основы алгоритмизации

Требования к уровню освоения дисциплины В результате изучения дисциплины студенты должны: 1. Знать основы теории цифровой обработки сигналов (ЦОС): методы дискретизации и квантования, основные дискретные спектральные преобразования, методы цифровой фильтрации и параметрического спектрального анализа. 2. Уметь использовать теоретические знания для алгоритмического проектирования систем ЦОС, использовать типовые инструментальные средства и пакеты прикладных программ для решения конкретных прикладных задач обработки сигналов на ЭВМ. 3. Иметь представление об областях применения методов, о зависимости архитектуры системы ЦОС от требований задачи, о перспективных методах цифровой обработки сигналов.. Содержание рабочей программы ВВЕДЕНИЕ Предмет дисциплины, её структура и содержание. Связь дисциплины с другими дисциплинами. Тема 1. Основные понятия дисциплины. Задачи цифровой обработки данных (сигналов), основанных на использовании спектральных методов, математический аппарат, используемый для обработки данных ряды и интегралы Фурье, Z-преобразование. Тема 2. Методы представления сигналов в ЭВМ. Классификация методов дискретизации. Спектральный подход: теорема Котельникова и условия её применения. Дискретизация многомерных сигналов. Квантование по уровню, характеристики шумов квантования. Нелинейное и оптимальное квантование. Методы сжатия информации при представлении в ЭВМ. Сжатие с потерями и без потерь. Разностное квантование. Методы дельта модуляции. Сжатие на основе MPEG технологии, сжатие речевых сигналов. Тема 3. Дискретные спектральные преобразования и методы их вычисления. Понятие о дискретном преобразовании Фурье. Преобразования в нетригонометрических базисах. Многомерные дискретные преобразования. Быстрое преобразование Фурье. Общий подход к построению быстрых преобразований на основе факторизации матриц преобразования. Теоретико-числовые и полиномиальные методы выполнения дискретных преобразований.

4

Тема 4. Методы обработки сигналов в спектральной области на основе дискретных преобразований. Применение ДПФ для анализа гармонических сигналов, частотная характеристика ДПФ, боковые лепестки, модуляция спектра Методы улучшения характеристик ДПФ при использовании окон. Спектральный анализ случайных процессов с использованием ДПФ. Методы сглаживания оценок спектра. Обнаружение гармонических сигналов на фоне шума с использованием ДПФ. Вычисление корреляционных функций. Реализация пространственно-временной обработки сигналов в спектральной области. Методы гомоморфной обработки. Тема 5. Цифровая фильтрация на ЭВМ. Общая структура цифрового фильтра. Нерекурсивная и рекурсивная форма ЦФ. Фильтры с конечной и бесконечной импульсной характеристикой.Методы реализации ЦФ прямая и каноническая форм, каскадная и параллельная форма. Частотная характеристика цифрового фильтра. Синтез фильтров с конечной импульсной характеристикой методом окна и методом частотной выборки. Синтез аналоговых фильтров-прототипов Баттерворта, Чебышева, Бесселя при построении ЦФ. Метод билинейного преобразования для синтеза ЦФ. Преобразование полосы частот при синтезе ЦФ. Тема 6. Методы параметрического спектрального анализа. Понятие о параметрических моделях сигналов. Модели авторегрессии (АР), скользящего среднего, смешанные. Оценивание параметров АР-моделей. Рескурсия ЛевинсонаДербина. Оценивание спектра сигналов на основе параметрических моделей. Тема 7. Вейвлет преобразование и его использование в задачах цифровой обработки сигналов. Вейвлет-преобразование. Общие понятия, свойства. Непрерывное вейвлетпреобразование, его локализующие свойства. Использование непрерывного вейвлетпреобразования для обнаружения изменения свойств сигналов. Дискретное вейвлетпреобразование и его применение для сжатия и шумоочистки сигналов. Тема 8. Аппаратное и программное обеспечение систем цифровой обработки сигналов. Аппаратные средства цифровой обработки сигналов: универсальные процессоры, сигнальные процессоры. Перспективные архитектуры для цифровой обработки сигналов. Технические средства обеспечения ввода-вывода аналоговых сигналов в ЭВМ. Аппаратные средства ЦОС в системах мультимедиа. Классификация программных средств ЦОС. Требования к функциональному наполнению и инструментальным средствам разработки ПО ЦОС. Интегрирванные пакеты программ для ПЭВМ: "MATLAB", "MathCAD", LabVIEW" и их использование для решения прикладных задач. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Перспективы развития и использования систем цифровой обработки сигналов.

5

Перечень лабораторных работ Номер лаб. работы 1 2 3 4 5 6 7

Наименование и содержание лабораторной работы

Номера тем

Знакомство с пакетом программ LabVIEW. Моделирование экспериментальной установки. Цифровой термометр (пакет программ LabVIEW). Разработка виртуального инструмента для обработки сигналов по индивидуальному заданию (пакет программ LabVIEW). Изучение методов спектрального анализа Изучение методов синтеза цифровых фильтров с использованием пакета программ QUEDESIGN Изучение непрерывного вейвлет-преобразования с использованием пакета программ MatLab. Применение дискретного вейвлет-преобразования для сжатия и шумоочистки сигналов ( пакет программ MatLab)

8 2 3, 4, 5 4 5 7 7

Распределение учебных часов по темам и видам занятий № темы

Объем учебных часов

Название разделов и тем Введение

1 2 3

4

5 6 7

8

Основные понятия дисциплины. Методы представления сигналов в ЭВМ. Дискретные спектральные преобразования и методы их вычисления. Методы обработки сигналов в спектральной области на основе дискретных преобразований. Цифровая фильтрация на ЭВМ. Методы параметрического спектрального анализа. Вейвлет-преобразование и его использование в задачах цифровой обработки сигналов. Аппаратное и программное обеспечение систем цифровой обработки сигналов ИТОГО:

Лекции

Лабор. занятия

1 3

Практ. занятия

Аудит. занятия 1 3

Самост. работа

Всего

Семестр

4

1 7

8 8

4

2

6

6

12

8

6

2

8

6

14

8

4

4

8

10

18

8

6

2

8

8

16

8

4

2

6

4

10

8

2

4

6

6

12

8

4

8

12

8

48

52

100

8

4

34

16

6

ЛИТЕРАТУРА Основная № 1

Название, библиографическое описание Куприянов М.С.,Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов.-СПБ.:Политехника, 2000.

2

Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов.СПБ.: Питер, 2002

3

Бадейкин А.В., Геппенер В.В. Корнеев И.А. Синтез цифровых фильтров с использованием пакета программ MATLAB: Учебное пособие. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2001. с.72. Геппенер В.В. , Черниченко Д.А., Экало С.А. Вейвлет-преобразование в задачах цифровой обработки сигналов: Учебное пособие. - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2002. с.78.

Л

5

Лр

5

5

К-во экз. в библ. (на каф.)

5

уч 27 ф2

5

Уч 79 Ф2

Гриф Мин. обр. РФ

Мин. обр. РФ

уч 54 ф2

5

5

Кп (ð)

5

уч 154 ф2

Дополнительная №

Название, библиографическое описание

К-во экз. в библ. (на каф.)

1

Марпл-мл.С.Л. Цифровой спектральный анализ.-М.:Мир,1990

10

2

Рабинер Р.,Голд Б . Теория и применение цифровой обработки сигналов .- М.: МИР, 1978 Дьяконов В.П., Абраменкова И.А. Matlab Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник Питер, 2002

4

3

15

4

Дъяконов В.П. Вейвлет - от теории к практике. М.: Солон-Р.- 2002, с. 440.

10

5

Залманзон Л.А. Преобразование Фурье, Уолша,Хаара и их применение в управлении.-М.: Наука,1989.

5

7

Авторы: сд.т.н., профессор

Геппенер В.В.

Рецензент д.т.н., профессор

Куприянов М.С.

Зав. кафедрой математического обеспечения и применения ЭВМ д.т.н., профессор Декан факультета Компьютерных технологий и информатики д.т.н., профессор

Лисс А.Р. Герасимов И.В.

Программа согласована: Зав. отделом учебной литературы

Смирнова О.Н.

Руководитель методического отдела к.т.н., доцент

Марасина Л.А.

8