Тема 1.2. Основные виды представления и преобразования

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Институт математики, естественных наук и информационных технологий
Кафедра радиофизики
Гармонов А.А.
ТЕОРИЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ И СООБЩЕНИЙ
Учебно-методический комплекс. Рабочая программа
для студентов направления 011800.62 «Радиофизика»
Форма обучения очная
Тюменский государственный университет
2011
1
Гармонов А.А. Теория обработки сигналов и сообщений. Учебнометодический комплекс. Рабочая программа для студентов направления
011800.62 «Радиофизика», форма обучения очная. Тюмень, 2011, 12 стр.
Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС
ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению и профилю подготовки.
Рабочая программа дисциплины «Теория обработки сигналов и сообщений» опубликована на сайте ТюмГУ: «Теория обработки сигналов и сообщений» [электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.umk3.utmn.ru., свободный.
Рекомендовано к изданию кафедрой радиофизики. Утверждено проректором по учебной работе Тюменского государственного университета.
ОТВЕТСТВЕННЫЙ РЕДАКТОР: заведующий кафедрой радиофизики Михеев В.А., к.ф.-м.н., доцент
© Тюменский государственный университет, 2011.
© Гармонов А.А., 2011.
2
Пояснительная записка
1.1.
Цели и задачи дисциплины
Целью преподавания дисциплины «Теория обработки сигналов и сообщений» является усвоение студентами математических основ представления, обработки и передачи информации.
Задача дисциплины: сформировать у студентов знания, навыки и умения, позволяющие свободно ориентироваться в основах современных информационных технологий.
1.2.
Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Теория обработки сигналов и сообщений» относится к вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению
011800.62 «Радиофизика».
Дисциплина «Теория обработки сигналов и сообщений» базируется на следующих
дисциплинах образовательной программы бакалавра по направлению Радиофизика:
базовой части модуля «Математический и естественнонаучный цикл» – «Математический анализ», «Линейная алгебра» и «Теория вероятностей и математическая статистика»;
базовой части модуля «Профессиональный цикл» – «Радиоэлектроника».
1.3. Компетенции выпускника ООП бакалавриата, формируемые в результате освоения данной дисциплины
В соответствии с ФГОС ВПО данная дисциплина направлена на формирование следующих компетенций
общекультурных:
ОК-8 – способность к овладению базовыми знаниями в области математики и естественных наук, их использованию в профессиональной деятельности;
профессиональных:
ПК-1 – способность использовать базовые теоретические знания (в том числе по дисциплинам профилизации) для решения профессиональных задач;
В области воспитания личности целью подготовки является формирование социальноличностных качеств студентов: целеустремленности, организованности, коммуникативности.


В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
Знать
- методы представления информации в виде сообщений и сигналов;
- рациональные способы кодирования и преобразования различного рода сообщений;
- эффективные методы формирования, обнаружения, различения и оценки параметров сигналов с учётом свойств среды и шумов (помех);
- принципы построения и алгоритмы функционирования устройств обработки сообщений (кодеров и декодеров), особенности их применения.
Уметь
3

определять количество информации, содержащейся в сообщениях различного
вида;
оценивать теоретически достижимые параметры каналов связи;
выбирать способы представления сообщений, оптимальные для заданных параметров каналов связи.
Владеть
- приемами и навыками решения конкретных задач обработки информации.
2. Структура и трудоёмкость дисциплины.
Семестр - 7. Форма промежуточной аттестации - экзамен. Общая трудоёмкость дисциплины составляет 3 зачётные единицы (з.е.), 108 часов: 36 часов лекции, 18 часов практические занятия, 54 часа самостоятельная работа.
4
Таблица 1.
2.
1.
2.
Итого
количество баллов
Итого
часов по теме
Самостоятельная
работа*
1.
3
1-5
Лабораторные занятия*
1.
2.
2
Модуль 1
1.1 Введение
1.2 Основные виды представления и преобразования
сообщений и сигналов.
Всего
Модуль 2
2.1 Каналы передачи информации
2. 2 Основы теории передачи информации
Всего
Модуль 3
3.1 Общие сведения о помехоустойчивом кодировании.
3.2 Основные виды кодов
Всего
Итого (часов, баллов):
Из них часов в интерактивной форме
6
7
8
9
10
2
2
6
10
10
20
2
4
0-8
0-18
10
4
16
30
6
0-26
6
2
8
16
4
0-16
6
4
10
20
4
0-18
12
6
18
36
8
0-34
4
2
8
14
4
0-14
10
14
36
6
6
8
18
18
12
20
54
28
42
108
6
10
24
24
0-26
0-40
0-100
Семинар.(практ) занятия
1
Виды учебной работы и
самостоятельная работа,
в час.
4
5
2
8
Лекции*
Тема
недели семестра
№
В том числе интерактивных
Тематический план
6-12
13-18
5
Таблица 2.
Виды и формы оценочных средств в период текущего контроля
Модуль 1
1.1 Введение
1.2 Основные виды представления и преобразования
сообщений и сигналов.
Всего
Модуль 2
2.1 Каналы передачи информации
2. 2 Основы теории передачи
информации
Всего
Модуль 3
3.1 Общие сведения о помехоустойчивом кодировании.
3.2 Основные виды кодов
Всего
Итого
Устный
опрос
ответ на
семинаре
Письменные работы
контрольная
работа
0-2
0-4
0-4
0-4
0-4
0-6
0-6
0-20
0-6
0-4
0-8
0-6
0-24
0-2
0-6
0-4
0-4
0-16
0-4
0-4
0-4
0-6
0-18
0-6
0-10
0-8
0-10
0-34
0-2
0-4
0-4
0-4
0-14
0-6
0-8
0-20
0-10
0-14
0-28
0-4
0-8
0-24
0-8
0-12
0-28
0-28
0-42
0–100
6
реферат
отчет по
заданиям
самост. работы
Итого количество баллов
№ темы
Таблица 3.
Планирование самостоятельной работы студентов
№
Модули и темы
Модуль 1
1.1 Введение
1.2 Основные виды представления и преобразования сообщений и сигналов.
Всего по модулю 1:
Модуль 2
2.1 Каналы передачи информации
2.2
Основы теории передачи
информации
Всего по модулю 2:
Модуль 3
3.1 Общие сведения о помехоустойчивом кодировании.
3.2 Основные виды кодов
Виды СРС
обязательные
Неделя
семестра
1-4
Объём
часов
Кол-во
баллов
4
12
0-4
0-10
16
0-14
8
0-8
10
0-10
18
0-18
8
0-8
12
0-12
20
54
0-20
0-52
Подготовка реферата
Выполнение домашнего задания.
Подготовка реферата
5-11
Выполнение домашнего задания.
Подготовка реферата
Выполнение домашнего задания.
Подготовка реферата
12-18
Выполнение домашнего задания.
Подготовка реферата
Выполнение домашнего задания.
Подготовка реферата
Всего по модулю 3:
ИТОГО:
3.
Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами.
№
п/п
1.
2.
Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин
Телекоммуникационные системы
SDH
Управление телекоммуникационными сетями
Темы дисциплины необходимые для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
+
+
+
+
+
+
+
7
+
+
4.
Содержание дисциплины.
Модуль 1.
Тема 1.1 Введение
Понятия об информации, сообщениях и сигналах. Математическое представление сообщений, сигналов и помех. Понятие о кодировании и представлении сообщений. Общие
сведения об информационных системах.
Тема 1.2. Основные виды представления и преобразования сообщений и сигналов.
Виды преобразований в системе связи. Линейные, нелинейные и преобразования с переменными параметрами. Непрерывная и дискретная модуляция. Модулированные сигналы.
Дискретизация, квантование и кодирование непрерывных сообщений. Представление сообщений регулярными выборками. Представление сообщений обобщёнными координатами.
Сжатие объёма сообщений.
Модуль 2.
Тема 2.1. Каналы передачи информации.
Понятие о канале связи. Анализ канала связи. Бюджет канала связи. Виды каналов
связи. Модели непрерывных каналов. Искажения и помехи. Модели дискретных каналов.
Ошибки и стирания. Информационные характеристики каналов: скорость передачи информации, пропускная способность. Теоремы К. Шеннона для дискретных каналов без помех и с
помехами.
Тема 2.2. Основы теории передачи информации.
Мера количества информации. Производительность и избыточность источников сообщений. Скорость передачи информации и пропускная способность канала. Характеристики системы передачи информации. Согласование источника и канала передачи. Передача
дискретных сообщений. Оптимальные приёмники сигналов. Передача непрерывных сообщений. Оптимальная линейная фильтрация.
Модуль 3.
Тема 3.1. Общие сведения о помехоустойчивом кодировании.
Задачи помехоустойчивого кодирования. Виды и характеристики помехоустойчивых
кодов. Математическое описание кодов. Условия обнаружения и исправления ошибок.
Тема 3.2. Основные виды кодов.
Понятие о линейных кодах. Основные свойства линейных кодов. Примеры линейных
кодов. Общие сведения о циклических кодах. Примеры циклических кодов. Итеративные и
каскадные коды. Рекуррентные и каскадные коды. Свёрточные коды. Принципы построения
кодеров и декодеров.
5. Планы семинарских занятий
8
Модуль 1. Тема 1.1 Математическое представление сообщений, сигналов и помех.
Понятие о кодировании и представлении сообщений.
Модуль 1. Тема 1.2 Модулированные сигналы. Непрерывная и дискретная модуляция.
Дискретизация, квантование и кодирование непрерывных сообщений. Представление сообщений регулярными выборками. Представление сообщений обобщёнными координатами.
Сжатие объёма сообщений.
Модуль 2. Тема 2.1 Модели непрерывных каналов. Искажения и помехи. Модели дискретных каналов. Ошибки и стирания. Информационные характеристики каналов: скорость
передачи информации, пропускная способность.
Модуль 2. Тема 2.2 Мера количества информации. Производительность и избыточность источников сообщений. Скорость передачи информации и пропускная способность
канала. Характеристики системы передачи информации. Согласование источника и канала
передачи.
Модуль 3. Тема 3.1 Виды и характеристики помехоустойчивых кодов. Математическое описание кодов. Условия обнаружения и исправления ошибок.
Модуль 3. Тема 3.2 Основные свойства линейных кодов. Примеры линейных кодов.
Общие сведения о циклических кодах. Примеры циклических кодов. Итеративные и каскадные коды. Рекуррентные и каскадные коды. Свёрточные коды.
6.
Лабораторный практикум.
Учебным планом ООП не предусмотрен.
7.
Примерная тематика курсовых работ.
Учебным планом ООП не предусмотрена.
8.
Учебно – методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
8.1.
Примеры заданий для самостоятельной работы.
1. Рассчитать энтропию дискретного источника, генерирующего заданное количесиво независимых символов с известным распределением вероятностей.
2. Определить среднеквадратическое напряжение шума квантования, размер квантили и
среднее отношение сигнал/шум для АЦПс заданными разрядностью и входным диапазоном.
3. Создать двоичный код Хаффмана для дискретного источника трёх независимых символов
9
с заданным распределением вероятностей. Найти среднюю длину этого кода
4. Для заданного линейного блочного кода с исправлением одно- и двухбитовых ошибок
рассчитать вероятность ошибки в сообщении заданной длины. Вероятность ошибки в канальном символе задана.
5. По заданной матрице чётности линейного блочного кода найти проверочную матрицу и
определить, является ли данный код совершенным.
6. Сконструировать кодер на регистрах сдвига с обратной связью для заданного циклического кода.
7. Рассчитать минимальное напряжение входного сигнала при заданном отношении сигнал/шум, если известны шум-фактор, ширина полосы и входное сопротивление усилителя, а также выходное сопротивление источника сигнала и температура.
8.2.
Примерные темы рефератов
1. Способы сжатия, используемые в современных архиваторах (ZIP, RAR, 7z и т.д.).
2. Сравнительные преимущества и недостатки использования функций Уолша для задач кодирования.
3. Выбор оптимальной модели канала для мобильной связи GSM.
4. Перспективы использования свёрточных кодов в системах мобильной связи GSM.
5. Системы кодирования в современных интернет-технологиях.
6. Сравнительные характеристики двоичных кодов и кодов с большей разрядностью.
8.3.
Примерные вопросы к экзамену
1. Понятие об информации. Виды и структура информации.
2. Понятие о сообщениях и сигналах, о кодировании и представлении сообщений. Виды
представления сообщений.
3. Структурные меры информации: геометрическая, комбинаторная и аддитивная (мера
Хартли).
4. Статистическая мера информации. Вероятностный подход. Понятие энтропии.
5. Энтропия ансамбля. Энтропия объединения. Избыточность информации.
6. Цели кодирования. Кодирование как процесс выражения информации в цифровом виде.
7. Эффективное кодирование. Методики Шеннона-Фано и Хаффмена. Уменьшение
избыточности информации в результате эффективного кодирования.
8. Технические средства кодирования и декодирования эффективных кодов.
9. Помехоустойчивое кодирование. Классификация помехоустойчивых кодов. Увеличение
избыточности информации в результате помехоустойчивого кодирования.
10. Блоковые коды. Общие принципы использования избыточности. Корректирующая
способность кода и кодовое расстояние.
11. Геометрическая интерпретация блоковых корректирующих кодов. Показатели качества
корректирующего кода.
12. Линейные коды. Групповые коды. Линейный код как подпространство линейного
векторного пространства.
10
13. Построение двоичного группового кода. Определение числа избыточных символов.
Составление таблицы опознавателей. Коды Хемминга. Определение проверочных
равенств.
14. Мажоритарное декодирование групповых кодов. Матричное представление линейных
кодов. Систематические коды.
15. Технические средства кодирования и декодирования групповых кодов.
16. Двоичные циклические коды. Требования, предъявляемые к образующему многочлену.
17. Выбор образующего многочлена по заданному объёму кода и заданной корректирующей
способности. Обнаружение и исправление пачек ошибок.
18. Методы образования циклического кода. Матричная запись циклического кода.
19. Технические средства кодирования и декодирования двоичных циклических кодов.
20. Мажоритарное декодирование циклических кодов.
21. Критерии эффективности блочных корректирующих кодов
22. Рекуррентные коды.
23. Особенности кодирования и декодирования свёрточных кодов.
24. Свёрточные коды с синдромной коррекцией.
Для самостоятельного изучения теоретического материала студентами используются
учебники и учебные пособия, приведённые в списке литературы (п. 9.1 и п. 9.2). Трудоёмкость самостоятельного изучения теоретического материала составляет 54 часа.
Для успешного освоения материала студентам выдаётся комплект контрольных заданий для самостоятельного решения. Набор заданий формируется лектором. Лектор проводит
консультации, проверяя корректность предложенных решений.
9.
Образовательные технологии.
В соответствии с требованиями ФГОС при реализации различных видов учебной работы в процессе изучения дисциплины «Теория обработки сигналов и сообщений» предусматривается использование в учебном процессе следующих активных и интерактивных
форм проведения занятий:
 лекции;
 практические занятия;
 работа в малых группах.
10.
10.1.
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
Основная литература:
1. Айфичер Э., Джервис Б. Цифровая обработка сигналов: Практический подход - 2-е изд.
М.: Издательский дом "Вильямс", 2008
10.2.
Дополнительная литература:
1. Самсонов Б. Б., Плохов Е. М., Филоненков А. И., Кречет Т. В. Теория информации и кодирования. Ростов н/Д: Феникс, 2002
2. Хэмминг Р.В. Теория кодирования и теория информации М.: Радио и связь, 1983
11
3. Прокис Дж. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000
4. Шкундин, С.З. Теория информационных процессов и систем : учебное пособие /
С.З. Шкундин, В.Ш. Берикашвили. - М. : Горная книга, 2012. - 475 с. - ISBN 978-5-98672285-6
;
То
же
[Электронный
ресурс].
URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=229031
10.3.
Программное обеспечение и Интернет – ресурсы:
1. Электронная библиотека Попечительского совета механико-математического факультета
Московского государственного университета http://lib.mexmat.ru
2. eLIBRARY – Научная электронная библиотека (Москва) http://elibrary.ru/
Для работы на практических занятиях необходим пакет программ Maple 12 (или выше).
11. Технические средства и материально-техническое обеспечение дисциплины (модуля).
Лекционная аудитория с мультимедийным оборудованием, компьютерный класс для
практических занятий, лекционная аудитория.
12
13
Дополнения и изменения к рабочей программе на 2011 / 2012 учебный год
минимальный
базовый
повышенный
Знает: методы представления информации в виде сообщений и сигналов; рациональные способы кодирования и преобразования различного рода сообщений; эффективные методы формирования, обнаружения, различения и оценки параметров
сигналов с учётом свойств среды и шумов
(помех); принципы построения и алгоритмы функционирования устройств обработки сообщений (кодеров и декодеров),
особенности их применения.
методы представления информации в
виде сообщений и
сигналов; принципы
построения и алгоритмы функционирования устройств обработки сообщений
эффективные методы представления и обработки
информации в
различных информационных
системах; особенности применения
этих методов на
практике
Умеет: определять количество информации, содержащейся в сообщениях различного вида; оценивать теоретически достижимые параметры каналов связи; выбирать способы представления сообщений,
оптимальные для заданных параметров
каналов связи.
определять количество информации,
содержащейся в сообщениях различного
вида; оценивать теоретически достижимые параметры каналов связи;
методы представления информации в
виде сообщений и сигналов; рациональные способы кодирования и преобразования различного рода сообщений; эффективные методы формирования, обнаружения, различения и оценки параметров сигналов с учётом
свойств среды и шумов (помех); принципы построения и алгоритмы функционирования устройств обработки
сообщений (кодеров и декодеров), особенности их применения.
определять количество информации,
содержащейся в сообщениях различного вида; оценивать теоретически достижимые параметры каналов связи;
выбирать способы представления сообщений, оптимальные для заданных
параметров каналов связи.
13
определять эффективные способы представления
и кодирования
информации с
учётом особенностей каналов связи.
Оценочные
средства
Результаты обучения в целом
вопросы практических занятий; контрольные работы; рефераты; экзаменационные вопросы.
Способность
к овладению
базовыми
знаниями в
области математики и
естественных
наук, их использованию
в профессиональной деятельности.
Результаты обучения по уровням освоения материала
Виды занятий
Формулировка компетенции
лекции, практические занятия, самостоятельная
работа студентов.
ОК-8
Коды компетенции
В рабочую программу вносятся следующие изменения: В п. 1.3. УМК – рабочей программы по дисциплине «Теория обработки сигналов и
сообщений», составленной для студентов направления 011800.62 «Радиофизика» очной формы обучения, вносятся следующие изменения в
виде «Карты компетенций дисциплины»:
приемами и навыками решения задач
обработки информации
приемами и навыками решения конкретных задач обработки информации.
приемами и навыками решения
практических задач обработки
информации
Знает: математические основы
представления, обработки и передачи информации; эффективные методы формирования, обнаружения, различения и
оценки параметров сигналов; принципы
построения и алгоритмы функционирования устройств обработки сообщений.
математические основы представления,
обработки и передачи информации; методы формирования,
обнаружения, различения и оценки параметров сигналов;
принципы построения устройств обработки сообщений
выбирать различные
способы представления и обработки информации; оценивать
эффективность различных вариантов
кодирования сигналов.
методами применения теоретических
знаний на практике;
навыками решения
практических задач
обработки информации.
математические основы представления,
обработки и передачи информации;
эффективные методы формирования,
обнаружения, различения и оценки
параметров сигналов; принципы построения и алгоритмы функционирования устройств обработки сообщений.
эффективные способы представления, обработки и
передачи информации, современные алгоритмы
функционирования устройств
обработки сообщений.
выбирать эффективные способы представления и обработки информации;
оценивать эффективность различных
вариантов кодирования сигналов; выбирать адекватные практическим требованиям модели каналов связи.
выбирать оптимальные способы
представления и
обработки информации, модели
каналов связи.
навыками решения практических задач
представления, преобразования, кодирования и декодирования, передачи,
приёма и обработки информации; эффективными методами применения
теоретических знаний на практике.
эффективнымиметодами применения теоретических знаний на
практике; навыками успешного
решения практических задач обработки информации.
Умеет: выбирать эффективные способы
представления и обработки информации;
оценивать эффективность различных вариантов кодирования сигналов; выбирать
адекватные практическим требованиям
модели каналов связи.
Владеет:
навыками
решения
практических задач представления, преобразования, кодирования и декодирования,
передачи, приёма и обработки информации; эффективными методами применения теоретических знаний на практике.
Заведующий кафедрой радиофизики
В.А.Михеев
Протокол заседания кафедры радиофизики № 2 от 28.10.2011
14
контрольные работы; отчеты по СРС; экзаменационные вопросы.
ПК-1
способность
использовать
базовые теоретические
знания (в том
числе по
дисциплинам
профилизации) для решения профессиональных задач
Владеет: приемами и навыками решения
конкретных задач обработки информации.
практические занятия, самостоятельная работа студентов.
14
Дополнения и изменения к рабочей программе на 2014 / 2015 учебный год
В рабочую программу вносятся следующие изменения: В п. 10.1. УМК – рабочей
программы по дисциплине «Теория обработки сигналов и сообщений», составленной для
студентов направления 011800.62 «Радиофизика» очной формы обучения, вносятся следующие изменения:
1.
Шкундин, С.З. Теория информационных процессов и систем : учебное пособие
/ С.З. Шкундин, В.Ш. Берикашвили. - М. : Горная книга, 2012. - 475 с. - ISBN 978-5-98672285-6
;
То
же
[Электронный
ресурс].
URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=229031
В п. 10.2. УМК – рабочей программы по дисциплине «Теория обработки сигналов и
сообщений», составленной для студентов направления 011800.62 «Радиофизика» очной
формы обучения, вносятся следующие изменения:
1.
Березкин, Е.Ф. Основы теории информации и кодирования : учебное пособие /
Е.Ф. Березкин. - М. : МИФИ, 2010. - 312 с. - ISBN 978-5-7262-1294-4 ; То же [Электронный
ресурс]. - URL:http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=231898
2.
Дворкович, В.П. Цифровые видеоинформационные системы: (теория и практика) / В.П. Дворкович, А.В. Дворкович. - М. : Техносфера, 2012. - 1008 с. - (Мир цифровой обработки). - ISBN 978-5-94836-336-3 ; То же [Электронный ресурс]. URL: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=233462
Заведующий кафедрой радиофизики
Протокол заседания кафедры радиофизики № 3 от 10.11.2014
В.А. Михеев