Курс состоит из шести разделов:

• Дискретные сигналы.
• Дискретные системы.
• Методы синтеза цифровых фильтров.
• Преобразование сигналов в дискретных системах.
• Методы нелинейной цифровой обработки сигналов.
• Применение методов цифровой обработки сигналов.

ПРОГРАММА КУРСА

Основы цифровой обработки сигналов.

для направления ⌠Радиотехника■ по специальности 20.16.00,

факультета ⌠Системы управления■, очной формы обучения,

кафедра ⌠Радиоэлектронных систем управления■.

1. Назначение дисциплины, ее место в учебном процессе

1.1. Цель и задачи дисциплины

Данная дисциплина является одной из фундаментальных дисциплин радиотехнической подготовки студентов по направлению ⌠Радиотехника■. В результате изучения данной дисциплины студент должен усвоить, что развитие микроэлектроники приводит к неуклонному расширению степени внедрения методов цифровой обработки сигналов в радиотехнические устройства и системы. При этом, переход от аналоговых методов обработки к цифровым, с одной стороны, позволяет реализовать некоторые процедуры обработки недоступные аналоговым методам, а с другой, накладывает ряд ограничений на обрабатываемые сигналы. В этой связи целью данной дисциплины является: дать студентам необходимые сведения по математическому описанию дискретных систем и сигналов и методам их дискретного преобразования. На этой основе научить студентов разрабатывать алгоритмы цифровой обработки сигналов, обеспечивающие выполнение заданных требований. При этом в процессе изучения данного курса студенты должны получить навыки решения частных задач, таких как:

- нахождение прямого и обратного Z - преобразования сигналов и передаточных функций дискретных систем;

- расчет коэффициентов передаточных функций КИХ и БИХ фильтров по заданным характеристикам;

- вычисление быстрой свертки;

- вычисление прямого и обратного ДПФ и т.д.

Таким образом, основной задачей данной дисциплины является: подготовка студентов к восприятию последующих специальных дисциплин, определяющих профиль их подготовки как радиоинженеров по проектированию сложных радиотехнических комплексов.

1.2. Перечень дисциплин учебного плана, усвоение которых студентами необходимо для изучения данной дисциплины

1. Высшая математика. Все разделы, особенно разделы операционного исчисления, теории вероятности и математической статистики.

2. Физика. Все разделы, особенно электричество, оптика, физика твердого тела.

3. Вычислительная техника и программирование.

4. Основы теории цепей. Все разделы.

5. Радиотехнические цепи и сигналы. Все разделы.

1.3. Перечень дисциплин учебного плана, базирующихся на материале данной учебной дисциплины.

1. Радиолокационные и радионавигационные системы.

2. Радиоэлектронные системы управления.

4. Основы теории передачи сигналов и др.

2. Содержание дисциплины

2.1. Лекционные занятия

Введение (ауд. 1 час)

Сравнение аналоговых и цифровых методов обработки сигналов. Преимущества и недостатки цифровой обработки сигналов. Области применения и возможности ЦОС.

Тема 1. Дискретные сигналы.

1.1. Дискретизация непрерывных сигналов.

(Аудит. 2 час., СРС 2 час.)

Дискретизация как частный случай модуляции. Аналитическое описание дискретизированных сигналов. Спектры дискретизированных сигналов.

1.2. Z - преобразование дискретизированных сигналов.

(Аудит. 4 час., СРС 3 час.)

Преобразование Лапласа дискретизированного сигнала. Представление дискретизированных сигналов в комплексной плоскости. Соотношение между плоскостью Р и плоскостью Z. Z - преобразование. Общие соотношения между сигналами и положениями полюсов. Обратное Z - преобразование. Свойства Z - преобразования.

Тема 2. Дискретные системы.

2.1. Основные свойства дискретных систем.

(Аудит. 3 час., СРС 2 час.)

Составные элементы дискретных систем. Уравнение дискретной системы. Разностные уравнения и передаточные функции. Рекурсивные и нерекурсивные цифровые фильтры. Полюсы и нули передаточных функций. Устойчивость цифровых фильтров. Частотная характеристика и ее связь с передаточной функцией и импульсной характеристикой.

2.2. Формы реализации цифровых фильтров.

(Аудит. 2 час., СРС 2 час.)

Переход от передаточной функции к структуре фильтра. Каноническая и неканоническая формы реализации цифровых фильтров. Последовательная, параллельная, биквадратная, каскадная формы реализации ЦФ.

Тема 3. Методы синтеза цифровых фильтров.

3.1. Синтез цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой

(Аудит. 3 час., СРС 2 час.)

Нерекурсивные ЦФ с линейной ФЧХ. Минимально-фазовые нерекурсивные фильтры. Основные этапы проектирования нерекурсивных фильтров. Формулировка задач аппроксимации, критерии. Методы решения задач аппроксимации.

3.2. Синтез цифровых фильтров с бесконечной импульсной характеристикой.

Основные принципы преобразования непрерывных фильтров в цифровые. Прямое Z - преобразование. Билинейное преобразование. Аппроксимация в процессе синтеза рекурсивного цифрового фильтра. Аналитические методы синтеза рекурсивных цифровых фильтров. Определение передаточной функции рекурсивного цифрового фильтра с помощью билинейного преобразования на ПЭВМ.

3.3. Эффекты квантования и шумы в ЦФ.

(Аудит. 2 час., СРС 2 час.)

Ошибки, связанные с конечной разрядностью АУ ЦФ. Ошибки округления и усечения коэффициентов передаточных функций ЦФ. Оценки шумов квантования выходного сигнала в ЦФ. Оценка диапазона изменения сигнала в ЦФ.

Тема 4. Преобразование сигналов в дискретных системах.

4.1. Дискретное преобразование Фурье.

(Аудит. 5 час., СРС 4 час.)

Общие сведения. Переход от обычного к дискретному преобразованию Фурье. Свойства ДПФ. Алгоритм вычисления ДПФ. Возможности применения алгоритма ДПФ для вычисления ОДПФ. Понятие о быстром преобразовании Фурье. Свойства алгоритма БПФ с основанием 2 и прореживанием по времени.

4.2. Возможные применения алгоритмов БПФ.

(Аудит. 3 час., СРС 2 час.)

Дискретная свертка и ее вычисление. Круговая свертка. Линейная свертка. Методы быстрого вычисления свертки. Спектральный анализ с применением БПФ. некоторые характеристики спектрального анализа. Особенности спектрального анализа случайных процессов.

4.3. Двумерная обработка сигналов.

(Аудит. 4 час., СРС 3 час.)

Понятие о двумерной цифровой обработке сигналов. Двумерные цифровые системы и сигналы. Двумерные разностные уравнения. Двумерное Z - преобразование. Двумерное ДПФ. Двумерные БИХ и КИХ фильтры.

Тема 5. Методы нелинейной цифровой обработки сигналов.

5.1. Цифровые методы детектирования сигналов.

(Аудит. 2 час., СРС 2 час.)

Построение синхронных цифровых детекторов. Погрешность оценки амплитуды сигнала цифровым методом. Влияние шумов на оценку амплитуды сигнала. Построение фазовых цифровых детекторов. Погрешность оценки фазы сигнала цифровым методом. Влияние шумов на оценку фазы сигнала.

5.2. Преобразования спектра сигналов.

(Аудит. 2 час., СРС 2 час.)

Перенос спектра сигнала. Инверсия спектра сигнала. Восходящие и нисходящие дискретные системы. Экспандер и компрессор частоты дискретизации.

5.3. Гомоморфная обработка сигналов.

(Аудит. 2 час., СРС 2 час.)

Сущность гомоморфной обработки сигналов. Возможности применения гомоморфной обработки сигналов. Области применения и использования гомоморфной обработки.

Тема 6. Применение методов цифровой обработки сигналов.

6.1. Применение ЦОС для анализа, синтеза и передачи звуковых сигналов.

(Аудит. 4 час., СРС 3 час.)

Влияние АЦП и ЦАП на качество звуковых сигналов. Обработка цифровых звуковых сигналов. Цифровая запись звуковых сигналов. Проблема передачи программ с помощью радиовещания. Влияние ошибок, возникающих при передаче на качество звука.

6.2. Применение ЦОС для анализа, синтеза и передачи речевых сигналов.

(Аудит. 4 час., СРС 4 час.)

Модель образования речи. Кратковременный спектральный анализ. Система анализа-синтеза речи, основанная на кратковременном спектральном анализе. Особенности анализа речи. Полосный вокодер. Формантный синтез речи. Системы речевого ответа для вычислительных машин.

6.3. Применение ЦОС в радиолокации

(Аудит. 4 час., СРС 4 час.)

Реализация согласованного фильтра. Пример системы цифровой обработки сигналов радиолокатора. Цифровая обработка сигналов в системах СДЦ. Радиолокатор с синтезированной апертурой.

2.2. Практические занятия.

(Аудит. 17 час., СРС 8 час.)

4. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

4.1. Литература

2. Б. Гоулд, Ч. Рэйдер. Цифровая обработка сигналов. М., ⌠Сов. радио■, 1973 г.

3. Р. Богнер, А. Константинидис. Введение в цифровую фильтрацию. М., ⌠Мир■, 1976 г.

4. Л.М. Гольденберг и др. Цифровая обработка сигналов. М., ⌠Радио и связь■, 1990 г.

1. В. Коппелини и др. Цифровые фильтры и их применение. М., ⌠Энергоатомиздат■,

1983г.

2. Л. М. Гольденберг и др. Цифровая обработка сигналов. Справочник. М., ⌠Радио и связь■, 1985 г.

3. Под ред. Оппенгейма. Применение цифровой обработки сигналов. М., ⌠Мир■, 1980 г.

4. В.Г. Карташев. Основы теории дискретных сигналов и цифровых фильтров. М., ⌠Высшая школа■, 1982 г.

4.2. Компьютерная обучающая программа

Изучение дисциплины осуществляется студентами на лекциях с последующей проработкой лекционного материала в часы, отводимые на самостоятельную работу. Приобретение навыков расчетов цифровых фильтров и разработки алгоритмов цифровой обработки сигналов производится во время практических занятий с применением ПЭВМ. По каждой теме практических занятий студенты должны получить зачет. Окончательный контроль знаний студентов осуществляется на экзамене в период сессии.

Программу разработал

доцент кафедры Н4 Д.А.Шпагин