Програма дисципліни „ Теорія електричних сигналів І кіл" для напрямку підготовки 051001 "Метрологія та інформайійно-вимірювальні технології"

Вид материала

Документы

Содержание I. загальні відомості Зміст навчального матеріалу Iv. приблизний перелік лабораторних робіт V. інивідуальні семестрові завдання Vi. контрольні роботи Vii. методичні вказівки Viii. навчально - методичні матеріали

Подобный материал:

• Навчальна програма дисципліни "електротехніка" для напряму підготовки: 051001 «Метрологія, 284.54kb.
• Робоча навчальна програма кредитного модуля з дисципліни "Цифрова обробка сигналів", 410.54kb.
• Якубенко Василь Миколайович. Результати навчання: Урезультаті вивчення модуля студенти, 19.01kb.
• А. Назва й адреса, 3048.13kb.
• А. Назва й адреса, 1422.42kb.
• А. Назва й адреса, 1279.76kb.
• А. Назва й адреса, 3000.25kb.
• А. Назва й адреса, 2092.49kb.
• А. Назва й адреса, 4294.6kb.
• «Програмування вимірювальних приладів», 165.33kb.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

„КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”


ЗАТВЕРДЖУЮ”

декан Ф А К С ___________ О.В. Збруцький

„____”___________ 2010р.


НАВЧАЛЬНА ПРОГРАМА ДИСЦИПЛІНИ

„Теорія електричних сигналів і кіл”

для напрямку підготовки 6.051001

"Метрологія та інформайійно-вимірювальні технології"

спеціальність 6.091302

"Метрологія та вимірювальна техніка"


Ухвалено методичною Програму рекомендовано кафедрою

комісією факультету Інформаційно-вимірювальної техніки

АКС Протокол №_____ від „___”____2010р.

Протокол № ___від "___"____2010р Завідувач кафедри

Голова методичної комісії ____________ В.Д.Ціделко

________ Ю.В. Бобков


Kиїв–2010


I. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ


Дисципліна „Теорія електричних сигналів і кіл” займає проміжне становище між дисциплінами загально-освітнього плану та спеціальними дисциплінами.

Викладені у курсі засади теорії випадкових процесів,теорії параметричної чутливості та інваріантності, перетворення сигналів у присутност адитивних та мультиплікативних завад мають стати в нагоді при вивченні засад метрології, методи розрахунку пасивних та активних електричних схем знаходять продовження в методах проектування вимірювальних перетворювачів, теорія модуляції, пересилання та демодуляції сигналів застосовується під час вивчення інформаційно- вимірювальних систем та методів цифрової обробки сигналів. Таким чином, дана дисципліна створює базу для багатьох спеціальних.

У свою чергу, для вивченя даної дисципліни необхідне засвоєння попередніх курсів – насамперед, „ Загальної електротехніки” та деяких розділів математики – лінійні диференційні рівняння, перетворення Фур’є та Лапласа, теорії ймовірності та математичної статиститки. Метою вивчення даної дисципліни є забезпечення у студента системного підхода до головних положень теорії сигналів та ланцюгів, засвоєння методів застосування часових та спектральних моделей сигналів для аналізу перетворення сигналів та завад у різного роду електричних ланцюгах і системах та порівняльного аналіза різноманітних видів модуляції та детектування.

Для досягнення вищезазначеної мети рекомедується забезпечити засвоєння студентами:

знання основних методів аналізу лінійних стаціонарних моделей електричних кіл у часовій та частотній царині;

знання основ теорії випадкових процесів, включаючи методи аналіза перетворення таких під час фільтрації, модуляції та демодуляції ;

знання осовних методів аналіза чутливості систем та ланцюгів до зміни внутрішніх параметрів та шляхів мінімізації параметричної чутливості ;

знання різновидів модульованих процесів, первісних сигналів, процесів-носіїв та методів модуляції та маніпуляції;

знання базових засад загальної теорії інформації;

знання методів аналіза завадостійкості передачі основних типів модульованих та маніпульованих сигналів;

знання принципів завадостійкого кодування та підвищення надійності систем передачі цифрових сигналів;

уміння оцінити параметри випадкового процесу на виході стаціонарної або комутованиї системи;

уміння оцінити завадостійкість передачі аналогового або кодового сигналу в умовах дії адитивної завади;

уміння застовувати структурний аналіз лінійних систем, включаючи метод орієнтованих графів для синтезу схем із заданими параметрами та систем з мінімальною параметричнною чутливістю;

навички експеріментального дослідження пасивних та активних схем та аналізу похибок дослідження;

навички ексеріментального дослідження часових та частотних харпактеристик модульованих та маніпульованих сигналів;

навички дослідження нелінійних спотворень сигналів ;

навички дослідження схем з розповсюдженими параметрами.

Орієнтовний розподіл навчального часу наведено в таблиці.

Форма навчання	Семестри	Всього Кредитів/ годин	Розподіл часу за семестрами та видами занять					Семестрова атестація
			Лекції	Практичні заняття	Лабораторні роботи	Комп'ютерний практикум	СРС
Денна	3,4	10/360	72	45	36		207	Екз., зал.

ІІ. ЗМІСТ НАВЧАЛЬНОГО МАТЕРІАЛУ


Розділ 1. Основи теорії сигналів.

1. Огляд курсу. Різновиди моделей процесів. Сигнал як інформативний процес. Первісні сигнали. Типи процесів-носіїв. Багатоканальні системи з часовим та частотним розподілом каналів.
   
2. Перетворення сигналів лінійною системою.Інтеграл Дюамеля. Імпульсна та перехідна характеристики. Функція Дірака.
   
3. Частотний аналіз перетворення сигналів. Спектр амплітуд, спектр щільності амплітуд. Передатна функція, ФЧХ ,АЧХ. Типи ідеальних фільтрів.
   
4. Випадкові процеси. Гармонічний та полігармонічний процес, спектр потужності та кореляційна функція. Флуктуаційний процес, спектр щільності потужності. Перетворення випадкового процесу в лінійній системі, енергетичний спектр на виході фільтра.
   

Розділ 2. Модуляція аналоговим первісним сигналом.

1. Балансна амплітудна модуляція (ДБП). Спектр сигнала, демодуляція. Модуляція випадковим сигналом. Демодуляція сигналів ДБП, АМ, ОБП.
   
2. Вплив адитивної завади на передачу сигнала. Співвідношення сигнал-шум (С/Ш).Зведена вихідна завада. С/Ш та потужність зведеної завади для сигналів ДБП та АМ.
   
3. Модуляція імпульсного носія. АІМ-1, АІМ-2. Частота Найквіста. Спотворення сигналу під час демодуляції. Характеристики реального ФНЧ, лінійні та нелінійні мультиплікативні завади. Вплив адитивної завади, потужність зведеної завади.
   
4. Кутова модуляція. Порівняння ФМ і ЧМ.Девіація фази та девіація частоти, індекс модуляції.Сінхронна демодуляція ФМ-сигнала. Зведена дисперсія завади для ФМ та ЧМ.
   

Розділ 3. Модуляція східцевим сигналом.

1. Коди, системи кодування. Східцевий сигнал, особливості ретрансляції. Оцінка частотного діапазону сигналу. Ймовірність похибки для трансформації двійкового сигнала. Оцінка неточності розрахунку.
   
2. Амплітудна маніпуляція, сигнал АТ. Спектр АТ-сигналу,сінхронна демоляція, потужністьзведеної завади.
   
3. Фазова маніпуляція, спектр для двопоиційної та багатопозиційної ФТ. Демодуляція ФТ-сигналу, застосування ФАПЧ. Потужність зведеної завади для багатопозиційної ФТ.
   
4. Тональна маніпуляція, спектр сигналу. Демодуляція ЧТ-сигналу, мінімальний крок девіації. Потужність зведеної завади.
   

Розділ 4. Електричні фільтри.

4.1 Пасивні фільтри 1-го порядку. АЧХ, ЛАЧХ. Імпульсна та перехідна характеристики. Фільтри 2-го порядку, узагальнені параметри. Характеристики фільтрів. Фільтри Баттерворта, Чебишева.

4.2 Активні схеми, схемні параметри. Сигнальні графи активних схем. Перетворення графів. Графи пасивних кіл, схемні параметри замкнених блоків.

4.3 Активні фільтри, сінтез схеми фільтра 2-го порядку. Параметрична чутливість, функція чутливості. Мінімізація чутливості, параметрична інваріантність.

4.4 Комутовані фільтри, комутований інтегратор. Сінтез імпульсної характеристики комутованого фільтра, принципи цифрової фільтрації

4.5 Застосування фільтрів для демодуляції АІМ-сигнала, лінійні та нелінійні спотворення.

4.6 Гетеродинна фільтрація. Завада відбитття, багатогетеродинні схеми. Сінхрона фільтрація, можливості застосування.

Розділ 5. Основи теорії інформації

1. Обчислення інформації, стохастична міра інформації. Ентропія. Продуктивність дискретного джерела. Емність канала без завад.
   
2. Передача інформації каналом із завадами. Узгодження продуктивності та емності.
   
3. Обмін діапазона частот на завадостійкость. Теорема Хартлі-Шеннона. Завадостійке та економне кодування.
   

Розділ 6. Схеми з розповсюдженими параметрами.

1. Модель довгої лінії, диференційні рівняння. Поняття про хвилевий процес. Гармонічний сигнал у лінії без втрат. Біжуча хвиля. Хвильовий опір.
   
2. Процес у навантаженій лінії. Зворотня хвиля. Схемні параметри лінії без втрат. Узгодження по виходу та по входу.
   
3. Особливості чвертьхвильових ліній. Металеві ізолятори та хвильоводи. Зосереджені моделі, похибки моделювання передатної функції та вхідного опору.
   
4. Імпульсний сигнал у довгій лінії. Оцінка відлуння для певних значень опору навантаження та опору джерела. Похибка моделювання зосередженої моделі для імпульсного режиму.
   

ІІІ. ПРИБЛИЗНА ТЕМАТИКА ПРАКТИЧНИХ ЗАНЯТЬ

1. Пряме та зворотнє перетворення Фур'є.

2. Інтеграл Дюамеля та функція Дірака.

3. Перетворення сигналів ідеальними фільтрами.

4. Параметри випадкових процесів. Перетворення полігармонічного процесу.

5. Флуктуаційні випадкові сигнали. Характеристики шумових процесів.

6. Амплітудно-модульовані сигнали. Обчислення співвідношення С/Ш та зведекної дисперсії для ДБП та АМ.

7. АІМ-І та АІМ-ІІ, спектри сигналів та демодуляція. Зведена дисперсія демодульованого сигналу.

8. Обчислення зведеної дисперсії шуму для демодуляторів ФМ та ЧМ.

9. Оцінка ймовірності помилки для приймача кодового сигналу. Похибка розрахунку. Код з перевіркою парності.

10. Спектр та зведена дисперсія завади для амплітудно-маніпульованого (АТ) сигналу.

11. Спектр та зведена дисперсія завади для двохпозиційного та 16-ти позиційного сигналу ФТ.

12. Спектри сигналів ЧТ. Мінімізація частотного діапазону. Зведена дисперсія завади.

13. Частотні та перехідні характеристики фільтрів 1-го порядку. ЛАЧХ.

14. Частотні та перехідні характеристики фільрів НЧ другого порядку. Оптимізація узагальнених параметрів, схемна реалізація.

15. Схемні параметри активних схем. Сигнальні графи, виключення петлі, інверсія шляху.

16. Параметрична чутливість активних схем. Зворотний зв'язок, параметрична інваріантність.

17. Функція чутливості одно- та двоканальних схем.

18. Схемні параметри активних схем з паралельним та послідовним зворотним зв'язком. Застосування спрощеної моделі.

19. Активні фільтри. Сінтез ФНЧ. Мінімізація параметричної чутливості.

20. Комутовані фільтри. Комутований інтегратор, АЧХ фільтра. Похибки східцевої апроксимації сигналу.

21. Розрахунок ентропії джерела та емності цифрового каналу.

22 Узгодження джерела сигналу з емністю каналу з шумом. Теорема Хартлі-Шеннона.

IV. ПРИБЛИЗНИЙ ПЕРЕЛІК ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

1. Спектри регулярних сигналів.
   
2. Амплітудна модуляція гармонійного носія.
   
3. Амплітудна модуляція імпульсного носія
   
4. Kутова модуляція.
   
5. Багатопозиційна фазова маніпуляція .
   
6. Полосові фільтри
   
7. Частотна маніпуляція.
   
8. Завадостійкість сінхронної демодуляції.
   
9. Методіка та апаратура дослідження електричних кіл.
   
10. Визначення перехідних та частотних характеристик фільтра НЧ.
    
11. Визначення перехідних та частотних характеристик фільтра ВЧ
    
12. Визначення перехідних та частотних характеристик фільтра другого порядку.
    
13. Визначення параметрів моделей 1-го та 2-го порядку
    
14. Параметрична чутливість схем 2-го порядку.
    
15. Параметрична чутливість схем 3-го порядку.
    
16. Моделювання АЧХ активної схеми.
    
17. Параметрична чутливість замкнених схем.
    
18. Функція чутливості двоканальних схем.
    

V. ІНИВІДУАЛЬНІ СЕМЕСТРОВІ ЗАВДАННЯ

Навчальним планом даної дисципліни передбачено виконання курсової роботи на 4-му семестрі денної форми навчання. Оскільки основні положення теорії передачі сигналів мають бути засвоєні у 3-му семестрі, а розділ "Електричні фільтри" розглядається на початку 4-го семестру, можна запропонувати для тематики курсових робіт проектування різноманітних систем передачі вимірювальної інформації. Таке проектування може обмежуватися аналізом функційної схеми, впливу завад обумовленого характеру, розрахунку ймовірності помилки для одного чи двох — у разі застосування завадостійких алгоритмів пересилання. В той же час, розрахунок аналогового активного фільтра не має ставити надвеликих труднощів.

Таким чином, типове завдання на курсову роботу може являти собою ланцюгове з 'єдання модулятора (АМ, ФМ, ЧМ), що може розглядатится як модель первинного вимірювального перетворювача, канала передачі (з незначним рівнем шуму), демодулятора, що має відтворити первісний сигнал, АЦП, що в рамках роботи не проектується, за виключенням вибору його розрядності, і системи багатоканальної передачі інформації. Остання може, в залежності від завдання, використовувати часовий або частотний розподіл каналів, що їхня кількість також має бути встановлена у ТЗ. В обох випадках кінцевим результатом розрахунку має бути ймовірність помилки для одного або двох (у випадку застосування системи підвищеної завадостійкості) розядів вихідного коду. Якщо передача кодового сигналу передбачається за допомогою багатопозиційної ФТ або ЧТ, має виконуватися відповідний перерахунок помилок для двійкового кода на виході. Система буде дещо відрізнятися від практичної, оскільки фільтри в демодуляторах як аналогового, так і кодового сигналів будуть аналоговими, і таким чином, значно обмежені у порядку. Рекомендується, зважаючи на стаж і обі-

знаність проектувальників, обмежуватися 4-м порядком фільтра. Для системи з часовим розподілом каналів мають виконуватися розрахунки фільтрів як мультіплексора, так і демультіплексора (згадані пристої, як такі, не підлягють розрахунку), оцінюється потужність як лінійних, так і нелінійних спотворень, враховуються шуми канала передачі кодового сигналу і оцінється ймовірність похибки, що не повинна перевищувати ту, що обумовлена в ТЗ. В іншому випадку необхідно застосовувати завадостійке кодування.

Для системи з частотним розподілом каналів підлягає вибору частотний діапазон канала, з врахуванням якості попередньої фільтрації, вимоги до якості смугових фільтрів модуляторів та групового сигналу. Сумарна адитивна завада в каналі має включати як власні шуми канала, що вказакі в ТЗ, так і шуми інтерференції. Далі йде розрахунок ймовірності помилки з такими ж застереженнями, як і в попередньому випадку.

Робота, окрім ТЗ та розрахунків, що підтверджують працездатність системи, має містити функціональну схему системи, а також часові та спектральні діаграми сигналів в системі.


VI. КОНТРОЛЬНІ РОБОТИ

На загал вивчення даної дисципліни супроводжується трьома модульними роботами для денної форми навчання і однією для заочної. Модульні роботи для денної форми навчання бажано провадити після вивчення першого розділу з метою перевірки і коригування рівня знань студентів, після вивчення другого розділу з метою підготовки до екзаменаційних вправ, та після четвертого розділу для полегшення виконання курсової роботи. Контрольна робота для заочної форми має носити дещо оглядовий характер, включаючи матеріали та розрахунки, що стосуються перших чотирьох розділів курсу.


VII. МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ


Для денної форми навчання робочі навчальні програми складаютьмся для двох кредитних модулів, відповідно до кількості семестрів. Перший модуль — "Теорія сигналів" —включає, між іншим, теоретичні та розрахункові відомості, що використовуються для виконання курсової роботи в наступному семестрі і складається виключно з лекційного матеріалу та практичних занять, що мають відповідати лекціям, включаючи розділи " Основи теорії сигналів", "Модуляція аналоговим первісним сигналом", "Модуляція східцевим сигналом" та "Електричні фільтри". Складення робочої програми має враховувати рівень попередньої підготовки слухачів, і хоча тематика занять встановлена навчальною програмою, співвідношення математичних викладів та пояснень фізики процесів встановлються відповідно до підготовки слухачів. Актуальний рівень останьої рекомендується виявляти шляхом опроса та поточних контрольних робіт. В цьому сенсі слід звернути увагу на перші практичні заняття, що можуть навіть передувати лекціям, а у ліпшому випадку слідувати за першими, тобто вступними лекціями. Проведення контрольних робіт саме на першому занятті дозволить в певній мірі прояснити дійснй рівень підготовки слухачів. Тим не менш, у будь-якому випадку не слід звертатися до викладу матеріалу попередніх дисциплін, як-то "Загальна еленктротехніка" або певні розділи математики, а підкреслювати необхідність підсилення самостійної роботи. Розподіл часу між розділами залежить від вимог викладачів наступних дисциплін, але можна рекомендувати у першому кредитному модулі виділити 30% часу на розділ 1, 20% для розділа 2, 20% для розділу 3, та 30% для розділу 4.

Для заочної форми навчання робоча програма має враховувати дещо нерівномірне освітлення матеріалу дисципліни в літературі. Особливо слід відзначити четвертий розділ , викладення якого у підручниках носить дещо розлогий характер. В світлі сказаного бажано той невеликий час, що відведено на аудіторні заняття для заочників, присвятити більшою мірою саме цьому розділу, полишаючи решту на самостійну роботу. Особливістю даної дисципліни є величезний прошарок технічної літератури, що присвячена теорії сигналів, модуляції та демодуляції, завадостійкій передачі кодових сигналів, лінійним електричним колам і

т.п. Тому слід всіляко заохочувати спроби студентів-заочників вийти за рамки рекомендованої літератури і використовувати іншу — незважаючи на мову джерела. Полегшити цю задачу можна надаванням під час аудиторних занять перекладів основної термінології мовами, що найширше вживаються в технічній літературі. Зміст контрольної роботи для заочників має відображати всі проблеми,що їх торкається дисципліна, і тому можна запропонувати роботу у вигляді реферата на спеціальну тему, яка тим чи іншим чином торкається матеріалу розділів 2, 3, 6. Здебільшого така тематика стосується різного типу інформаційно-вимірювальних систем. З іншого боку, екзаменаційні задачі для заочників можуть являти собою завдання на одну дію — скажімо, розрахунок дисперсії шуму на виході фільтра. Важливе місце у заочному навчанні займають лабораторні роботи. Зважаючи на обмежений час для підготовки, можна рекомендувати роботи за матеріалами розділів 4 та 6, вибираючи роботи з ряду 7 — 16 (Розділ IV).

Обидві форми навчання супроводжує курсова робота, що згадується у р.V. Тематика робіт для заочної форми навчання може відрізнятися від тематики денної форми, включаючи теми, запозичені студентами на виробництві, або, навпаки більш докладні теоретичні дослідження — для студентів, працюючих з інформаційними технологіями в режимі споживача.


VIII. НАВЧАЛЬНО - МЕТОДИЧНІ МАТЕРІАЛИ


Основна література

1. Лосев А.К. Теория линейных электрических цепей. М:, ВШ, 1987- 512 с.
   
2. Латхи Б.П. Системы передачи информации. М:, Связь, 1974-324 с.
   
3. Темников Ф.Е. и др. Теоретические основы информационной техники. М:, Энергия, 1979-512 с.
   
4. Горяинов В. Г. и др. Статистическая радиотехника. Примеры и задачи. М:, Сов. Радио, 1980-544с.
   
5. Харкевич А.А. Основы радиотехники. М:, Связь,1962-558 с.
   
6. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М: Сов. Радио, 1977-544 с.
   

Додаткова література.

7. Данилов И. А. , Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. М:, ВШ, 1989-752с.
   
8. Сиберт У.М. Цепи, сигналы, системы. М:, Мир, 1988, ч.1-366 , ч. 2- 366 с.
   

Навчальна програма складена на основі освітньо-професійної програми СВО напрямку 6.051001 "Метрологія та інформаційно-вимірювальні технології"


Розробник програми к.т.н., доцент Серпілін К.Л.


___________________/ Серпілін К.Л./