Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Муромский институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования

 «Владимирский государственный университет

имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(МИ ВлГУ)

 

Кафедра  РТ 

 

 

 

«   04   »       06       2019 г.

 

 

 

 

Рабочая программа ДИСЦИПЛИНЫ

 

     Теория оценивания и фильтрации сигналов     

 




Направление подготовки

11.04.01 Радиотехника

Профиль подготовки

Системы и устройства передачи, приема и обработки сигналов

Квалификация (степень)выпускника

магистр









          

Семестр

Трудоем-кость,

час. / зач. ед.

Лек-ции,

час.

 

Практи-ческие занятия,

час.

Лабора-торные работы,

час.

Консуль-тация,

час.

Конт-роль,

час.

Всего (контак-тная работа),

час.

СРС,

час.

Форма

промежу-точного контр.

(экз., зач., зач. с оц.)

2

180 / 5  

16  

16  

16  

4,8  

2,35  

55,15  

98,2  

Экз.(26,65)  

Итого

180 / 5  

16  

16  

16  

4,8  

2,35  

55,15  

98,2  

26,65  

 

Муром, 2019 г.


1. Цель освоения дисциплины

Цель дисциплины: изучение теоретических основ, принципов действия и построения систем оценивания и фильтрации радиотехнических сигналов; изучение методов представления и описания случайных сигналов радиотехнических приборов и систем, основ теории случайных процессов; изучение методов фильтрации и обработки сигналов на фоне помех; изучение методов оптимального оценивания параметров сигналов; исследование основных характеристик качества оценивания и фильтрации сигналов, а также изучение основных методов синтеза алгоритмов оценивания и фильтрации.

Задачами дисциплины являются формирование представлений о синтезе алгоритмов оценивания и фильтрации сигналов для конкретных информационных радиотехнических систем, формирование навыков построения оптимальных и квазиоптимальных устройств оценивания сигналов и измерителей параметров сигналов для различных радиотехнических систем.

2. Место дисциплины в структуре ОПОП ВО (Цикл (Б1.В.03))

Дисциплина «Теория оценивания и фильтрации сигналов» — наука о статистических методах обработки сигналов, построении моделей сигналов, помех и шумов, синтезе оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов оценивания и фильтрации сигналов и применении статистических методов при приеме, формировании и обработке сигналов в различных радиотехнических системах. Курс базируется на знаниях, полученных студентами в области естественно-научных дисциплин. Базовые дисциплины: Математика, Физика, Основы теории радиотехнических систем, Радиотехнические системы передачи информации. Базирующиеся дисциплины: углубление и расширение вопросов, изложенных в данном курсе, будет осуществляться во время работы магистрантов над дисциплинами: Математический аппарат теории сигналов и систем, Математическое моделирование РТ устройств и систем и многих других, а также при написании магистерских работ.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины

ПК-3 Способен разрабатывать и обеспечивать программную реализацию эффективных алгоритмов решения сформулированных задач с использованием современных языков программирования.

ПК-5 Способен к составлению обзоров и отчетов по результатам проводимых исследований, подготовке научных публикаций и заявок на изобретения, разработке рекомендаций по практическому использованию полученных результатов.

 

Результатом освоения дисциплины является достижение следующих индикаторов:

ПК-3.1 Знает методы разработки эффективных алгоритмов решения научно- исследовательских задач.

ПК-5.1 Знает принципы проведения анализа полноценности и эффективности экспериментальных исследований.

ПК-3.2 Умеет применять алгоритмы решения исследовательских задач с использованием современных языков программирования.

ПК-5.2 Умеет подготавливать научные публикации на основе результатов исследований.

ПК-3.3 Владеет навыками разработки стратегии и методологии исследования радиотехнических устройств и систем.

ПК-5.3 Владеет навыками подготовки заявок на изобретения.

 


4. Структура и содержание дисциплины

Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц, 180 часов.

 

4.1. Форма обучения: очная

Уровень базового образования: высшее.

Срок обучения 2г.

 

4.1.1. Структура дисциплины


 

Раздел (тема)

дисциплины

 

Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов и трудоемкость

(в часах)

 

Форма  текущего контроля успеваемости (по неделям семестра), форма промежуточной аттестации

  (по семестрам)

 

п\п

Семестр

Лекции

Семинары

Практические занятия

Лабораторные работы

Контрольные работы

СРС

КП / КР

Консультация

Контроль

1

Введение

2

2

10

устный опрос

2

Характеристики случайных процессов, модели сигналов

2

2

2

21

устный опрос

3

Методы экспериментального анализа случайных сигналов и полей

2

2

4

4

9

устный опрос

4

Статистические методы оценки параметров

2

2

2

8

31

устный опрос

5

Фильтрация сигналов на фоне помех

2

4

4

15

устный опрос

6

Основы теории компенсации помех при оценивании и фильтрации сигналов

2

2

2

5

устный опрос

7

Цифровой спектральный анализ. Заключение

2

2

2

4

7,2

устный опрос

Всего за  семестр

180

16

16

16

98,2

+

4,8

2,35

Экз.(26,65)

Итого   

180

16

16

16

98,2

4,8

2,35

26,65

 

4.1.2. Содержание дисциплины

4.1.2.1. Перечень лекций

Семестр 2

Раздел 1. Введение

Лекция 1.

Предмет, содержание и последовательность изложения разделов курса, его связь с другими дисциплинами учебного плана. Причины возникновения шумов и помех в радиотехнических системах. Классификация помех. Классификация и примеры моделей извлечения информации (2 часа).

Раздел 2. Характеристики случайных процессов, модели сигналов

Лекция 2.

Элементы теории случайных процессов. Основные определения, функции распределения, числовые характеристики (2 часа).

Раздел 3. Методы экспериментального анализа случайных сигналов и полей

Лекция 3.

Классификация случайных процессов. Физическая трактовка основных понятий случайных процессов. Стационарные (в узком и широком смысле) случайные процессы. Белый шум и его характеристики (2 часа).

Раздел 4. Статистические методы оценки параметров

Лекция 4.

Модели аналоговых радиосигналов, аддитивных и неаддитивных помех. Флуктуационные явления в радиотехнических устройствах. Функция и функционал правдоподобия для гауссовских шумов (2 часа).

Раздел 5. Фильтрация сигналов на фоне помех

Лекция 5.

Содержание и классификация статистических измерительных задач в радиотехнике. Оценка и фильтрация параметров сигналов. Статистические критерии, используемые при оценивании параметров (2 часа).

Лекция 6.

Критерии качества оценок, не использующих априорных сведений. Несмещенность и минимум условной дисперсии. Границы Крамера-Рао для дисперсии ошибок оценивания. Эффективные оценки. Оптимальные свойства оценок по максимуму правдоподобия. Аномальные ошибки и пороговые эффекты при измерении. Способы исключения неинформативных параметров (2 часа).

Раздел 6. Основы теории компенсации помех при оценивании и фильтрации сигналов

Лекция 7.

Метод максимального правдоподобия. Синтез оценок, оптимальных по критерию максимального правдоподобия.Методы борьбы с коррелированными помехами, обеляющие фильтры. Многоканальные приемники как устройства оценивания параметров сигналов Дискриминаторы параметров сигналов. Следящие измерительные системы (2 часа).

Раздел 7. Цифровой спектральный анализ. Заключение

Лекция 8.

Заключение. Основные направления развития теории фильтрации и оценивания сигналов (2 часа).

 

4.1.2.2. Перечень практических занятий

Семестр 2

Раздел 1. Характеристики случайных процессов, модели сигналов

Практическое занятие 1.

Основные теоремы теории вероятностей. Распределения вероятностей случайных величин. Числовые характеристики случайных величин. Случайные процессы и их характеристики (2 часа).

Раздел 2. Методы экспериментального анализа случайных сигналов и полей

Практическое занятие 2.

Корреляционные функции и их расчет. Спектральный анализ случайных процессов (2 часа).

Практическое занятие 3.

Воздействие случайных процессов на нелинейные безинерционные системы. Воздействие случайных процессов на линейные системы (2 часа).

Раздел 3. Статистические методы оценки параметров

Практическое занятие 4.

Анализ узкополосных случайных процессов. Воздействие случайных процессов на нелинейные инерционные цепи (2 часа).

Раздел 4. Фильтрация сигналов на фоне помех

Практическое занятие 5.

Отношение правдоподобия и его использование для синтеза систем оценивания и фильтрации сигналов (2 часа).

Практическое занятие 6.

Оптимальная линейная фильтрация. Фильтрация меняющихся параметров сигналов (2 часа).

Раздел 5. Основы теории компенсации помех при оценивании и фильтрации сигналов

Практическое занятие 7.

Нелинейное оценивание параметров сигналов (2 часа).

Раздел 6. Цифровой спектральный анализ. Заключение

Практическое занятие 8.

Спектральные методы оценивания (2 часа).

 

Методические указания к практическим занятиям приведены в - https://www.mivlgu.ru/iop/mod/folder/view.php?id=15743

 

4.1.2.3. Перечень лабораторных работ

Семестр 2

Раздел 1. Методы экспериментального анализа случайных сигналов и полей

Лабораторная 1.

Исследование методов определения числовых характеристик случайных процессов (4 часа).

Раздел 2. Статистические методы оценки параметров

Лабораторная 2.

Исследование методов оценивания параметров сигналов при наличии шума (4 часа).

Раздел 3. Цифровой спектральный анализ. Заключение

Лабораторная 3.

Исследование спектральной обработки сигналов с использованием оконных функций (4 часа).

Раздел 4. Статистические методы оценки параметров

Лабораторная 4.

Исследование метода максимального правдоподобия (4 часа).

 

Методические указания к лабораторным занятиям приведены в - https://www.mivlgu.ru/iop/mod/folder/view.php?id=15742

 

4.1.2.4. Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы

Методические указания для самостоятельной работы размещены на информационно-образовательном портале института по ссылке https://www.mivlgu.ru/iop/course/view.php?id=5058.

Для самостоятельной работы также используются издания из списка приведенной ниже основной и дополнительной литературы.

Перечень тем, вынесенных на самостоятельное изучение:

1. Основные тактико-технические характеристики различных радиотехнических систем.

2. Характеристики разрешающей способности сигналов.

3. Характеристики устройств фильтрации и обнаружения сигналов на фоне помех.

4. Элементы теории случайных процессов. Основные определения. Вероятность появления события. Классификация событий.

5. Расчет вероятностей для несовместимых событий. Функции распределения. Многомерные распределения.

6. Условные функции распределения. Основные виды распределений.

7. Числовые характеристики - моменты распределения (среднее значение, дисперсия, коэффициент асимметрии и эксцесса. Числовые характеристики совокупности двух случайных величин).

8. Функциональные преобразования случайных величин (расчет плотности распределения, числовые характеристики).

9. Стационарные (в узком и широком смысле) случайные процессы. Экспериментальное определение характеристик случайных процессов (дисперсии, корреляционной функции, спектральной плотности).

10. Белый шум и его характеристики. Статистические характеристики случайных процессов.

11. Задачи оптимального оценивания параметров сигнала и фильтрации процессов. Эффективные, несмещенные оценки.

12. Критерии оптимальности измерения параметров. Функции потерь, применяемые при оценивании параметров сигнала.

13. Неравенство Крамера-Рао и его роль в теории оценивания. Синтез байесовских оценок. Расчет среднего риска при оценивании параметров.

14. Оценивание при простой функции потерь.

15. Оценивание при линейной по модулю функции потерь.

16. Оценивание при квадратичной функции потерь. Оценивание при прямоугольной функции потерь.

17. Оценивание по методу максимального правдоподобия. Оценки амплитуды сигнала, времени задержки, частоты (доплеровского смещения частоты).

18. Апостериорное среднее как оценка параметра сигнала.

19. Многоканальные устройства оценивания параметров сигналов. Оптимальные дискриминаторы параметров сигналов.

20. Адаптивные линейные фильтры в цифровых радиотехнических системах.

21. Адаптивные линейные фильтры с прямой и обратной связью. Применение цифровых адаптивных фильтров.

22. Методы спектрального анализа. Классификация методов. Основные свойства оконных функций. Принципы выбора оконной функции.

 

4.1.2.5. Перечень тем контрольных работ, рефератов, ТР, РГР, РПР

Не планируется.

 

4.1.2.6. Примерный перечень тем курсовых работ (проектов)

1. Курсовая работа выполняется по индивидуальным заданиям. Основным содержанием работы является проектирование и (или) исследование алгоритмов оценивания параметров и фильтрации сигналов в области радиосистем. Анализу подлежат основные параметры алгоритмов и методов обработки. При разработке алгоритмов необходимо рассматривать пути их программно-аппаратной реализации и учитывать возникающие при этом ограничения.

2. Перечень тем курсовых работ:.

3. 1. Разработка алгоритмов фильтрации речевых сигналов в телекоммуникационных системах.

4. 2. Разработка алгоритмов оценивания параметров радиолокационных сигналов.

5. 3. Разработка новых и модификация известных алгоритмов фильтрации траекторных сигналов.

6. 4. Исследование качества работы алгоритмов оценивания и фильтрации сигналов.

7. 5. Моделирование устройств и алгоритмов оценивания и фильтрации сигналов.

8. 6. Реализация устройств и алгоритмов оценивания и фильтрации сигналов на элементах аналоговой и цифровой техники.

 

Методические указания к курсовой работе приведены в https://www.mivlgu.ru/iop/mod/folder/view.php?id=15744

 

 

5. Образовательные технологии

В процессе освоения дисциплины Теория оценивания и фильтрации сигналов применяется контактная технология преподавания (за исключением самостоятельно изучаемых студентами вопросов и выполнения конкретного курсовой работы). Для реализации компетентностного подхода предусматривается использование при подготовке по данной дисциплине активных и интерактивных форм проведения занятий. При проведении практических и лабораторных работ, при выполнении курсового проектирования применяется имитационный или симуляционный подход. Шаги решения задач демонстрируются при помощи мультимедийной техники. В дальнейшем студенты самостоятельно решают аналогичные задания.

 

6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.

Фонды оценочных средств приведены в приложении.

 

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины Теория оценивания и фильтрации сигналов

7.1. Основная учебно-методическая литература по дисциплине

1. Джиган В.И. Адаптивная фильтрация сигналов: теории и алгоритмы. - М.: Техносфера, 2013. - 528 с. - http://ibooks.ru/reading.php?productid=339863

2. Крашенинников, В. Р. Статистические методы обработки изображений : учебное пособие / В. Р. Крашенинников. – Ульяновск : УлГТУ, 2015. – 167 с. - http://venec.ulstu.ru/lib/disk/2016/166.pdf

3. Шелухин О.И. Моделирование информационных систем. Учебное пособие для вузов. - М.: Горячая Линия–Телеком, 2012 - http://ibooks.ru/reading.php?productid=334050

 

7.2. Дополнительная учебно-методическая литература по дисциплине

1. Шахтарин Б.И., Ковригин В.А. Методы спектрального оценивания случайных процессов: Учеб. Пособие. - М.: Горячая Линия–Телеком, 2011 - http://ibooks.ru/reading.php?productid=334049

2. Сосулин, Ю.Г. , Костров В.В., Паршин Ю.Н. Оценочно-корреляционная обработка сигналов и компенсация помех. – М.: Радиотехника, 2014. – 632 с. - 2 экз.

3. Костров В.В., Бернюков А.К. Обнаружение и фильтрация сигналов в неразрушающем контроле: учебное пособие. - Муром: ИПЦ МИ ВлГУ, 2009. - 108c. - 25 экз.

4. Радиотехнические и телекоммуникационные системы (журнал ВАК). - www.rts-md.com

 

7.3. Перечень информационных технологий, используемых при осуществлении образовательного процесса по дисциплине, включая перечень программного обеспечения и информационных справочных систем

В образовательном процессе используются информационные технологии, реализованные на основе информационно-образовательного портала института (www.mivlgu.ru/iop), и инфокоммуникационной сети института:

- предоставление учебно-методических материалов в электроном виде;

- взаимодействие участников образовательного процесса через локальную сеть института и Интернет;

- предоставление сведений о результатах учебной деятельности в электронном личном кабинете обучающегося.

Информационные справочные системы:

http://dsp-book.narod.ru/

http://www.autex.spb.ru/

http://www.walla.com

http://www.dspbook.km.ru

http://analog.com.ru

www.rts-md.com

Программное обеспечение:

Лаборатория сигнальных процессоров и цифровой обработки сигналов

Microsoft Windows XP (DreamSpark Premium Electronic Software Delivery (3 year) Renewal (подписка на программное обеспечение Microsoft для академических организаций, договор №453 от 16.12.2014 года))

Kaspersky Endpoint Security для бизнеса, стандартный Russian Edition, антивирусный пакет (500-999 Node 2 year Educational Renewal License, договор №436 от 11.11.2014 года).

Mathcad Education – University Edition (100 pack) v.14 (Государственный контракт №1, от 10.01.2012 года).

Оpen office.org 3.0.0 (freeware)

комплекс «Estimation and Filtration of Signals», включающий в себя программы: Pdf_f. exe, Disp.exe, Korr_sl.exe, Korrel.exe, Ampl_est.exe, Kalman_А.exe, Faza_01.exe, Smesh, M_posled, Frenk, FM. (собственной разработки).

 

7.4. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети «Интернет», необходимых для освоения дисциплины

ibooks.ru

venec.ulstu.ru

rts-md.com

 

8. Описание материально-технической базы, необходимой для осуществления образовательного процесса по дисциплине

Лаборатория сигнальных процессоров и цифровой обработки сигналов

Рабочая станция HP Core 2 DUO, 3 GHz; 2 GB, DVD-RW/HP 19” 6 шт.

Сигнальный микроконтроллер серии «Мультикор» МС24ЕМ

Сигнальный микропроцессор серии «Мультикор» МС12ЕМ

Интерактивная доска IQ Board PS S080 с проектором Acer

Коммутатор 3 СОМ

 

9. Методические указания по освоению дисциплины

Для успешного освоения теоретического материала обучающийся: знакомится со списком рекомендуемой основной и дополнительной литературы; уточняет у преподавателя, каким дополнительным пособиям следует отдать предпочтение; ведет конспект лекций и прорабатывает лекционный материал, пользуясь как конспектом, так и учебными пособиями.

На практических занятиях пройденный теоретический материал подкрепляется решением задач по основным темам дисциплины. Занятия проводятся в компьютерном классе, используя специальное программное обеспечение. Каждой подгруппе обучающихся преподаватель выдает задачу, связанную с разработкой и программной реализацией алгоритмов обработки информации. В конце занятия обучающие демонстрируют полученные результаты преподавателю и при необходимости делают работу над ошибками.

До выполнения лабораторных работ обучающийся изучает соответствующий раздел теории. Перед занятием студент знакомится с описанием заданий для выполнения работы, внимательно изучает содержание и порядок проведения лабораторной работы. Лабораторная работа проводятся в компьютерном классе. Обучающиеся выполняют индивидуальную задачу компьютерного моделирования в соответствии с заданием на лабораторную работу. Полученные результаты исследований сводятся в отчет и защищаются по традиционной методике в классе на следующем лабораторном занятии. Необходимый теоретический материал, индивидуальное задание, шаги выполнения лабораторной работы и требование к отчету приведены в методических указаниях, размещенных на информационно-образовательном портале института.

Самостоятельная работа оказывает важное влияние на формирование личности будущего специалиста, она планируется обучающимся самостоятельно. Каждый обучающийся самостоятельно определяет режим своей работы и меру труда, затрачиваемого на овладение учебным содержанием дисциплины. Он выполняет внеаудиторную работу и изучение разделов, выносимых на самостоятельную работу, по личному индивидуальному плану, в зависимости от его подготовки, времени и других условий.

Курсовая работа выполняется в соответствии с методическими указаниями на курсовую работу. Обучающийся выбирает одну из указанных в перечне тем курсовых работ, исходя из своих интересов, наличия соответствующих литературных и иных источников. В ходе выполнения курсовой работы преподаватель проводит консультации обучающегося. На заключительном этапе обучающийся оформляет пояснительную записку к курсовой работе и выполняет ее защиту в присутствии комиссии из преподавателей кафедры.

Форма заключительного контроля при промежуточной аттестации – экзамен. Для проведения промежуточной аттестации по дисциплине разработаны фонд оценочных средств и балльно-рейтинговая система оценки учебной деятельности студентов. Оценка по дисциплине выставляется в информационной системе и носит интегрированный характер, учитывающий результаты оценивания участия студентов в аудиторных занятиях, качества и своевременности выполнения заданий в ходе изучения дисциплины и промежуточной аттестации.

 


лист_утверждения


РЕЦЕНЗИЯ

на  рабочую программу дисциплины

«Теория оценивания и фильтрации сигналов»

по направлению подготовки 11.04.01 Радиотехника

 

Рабочая программа дисциплины «Теория оценивания и фильтрации сигналов» составлена в соответствии с требованиями федерального государственного образовательного стандарта по направлению подготовки 11.04.01 Радиотехника.

На изучение данного курса по учебному плану отводится 180 час. (5 ЗЕТ). Формой итогового контроля изучения дисциплины является экзамен .

Цель дисциплины: изучение теоретических основ, принципов действия и построения систем оценивания и фильтрации радиотехнических сигналов; изучение методов представления и описания случайных сигналов радиотехнических приборов и систем, основ теории случайных процессов; изучение методов фильтрации и обработки сигналов на фоне помех; изучение методов оптимального оценивания параметров сигналов; исследование основных характеристик качества оценивания и фильтрации сигналов, а также изучение основных методов синтеза алгоритмов оценивания и фильтрации.

Задачами дисциплины являются формирование представлений о синтезе алгоритмов оценивания и фильтрации сигналов для конкретных информационных радиотехнических систем, формирование навыков построения оптимальных и квазиоптимальных устройств оценивания сигналов и измерителей параметров сигналов для различных радиотехнических систем.

Содержание занятий соответствуют требованиям образовательного стандарта. Имеется перечень вопросов для самостоятельной работы студентов, способствующий более глубокому изучению дисциплины.

Освоение дисциплины позволит студентам приобрести теоретические и практические знания, необходимые при решении задач в будущей практической деятельности.

Предлагаемые фонды оценочных средств для выявления уровня знаний и умений обучаемых полностью охватывает содержание курса и соответствуют ФГОС.

Перечень учебно-методической литературы достаточен для изучения дисциплины. Имеются ссылки на электронно-библиотечные системы.

Рабочая программа дисциплины «Теория оценивания и фильтрации сигналов» рекомендуется для использования в учебном процессе по направлению подготовки 11.04.01 Радиотехника.

 

04.06.2019 г.