Detail předmětu

Signals and Systems

FEKT-CSISAk. rok: 2018/2019

Předmět Signály a soustavy se věnuje základům zpracování analogových a číslicových signálů a analýze systémů. Tato problematika tvoří součást řady různých technických zařízení. V předmětu jsou představeny základní principy spojitých a diskrétních signálů a systémů. Signály jsou reprezentovány jak v časové oblasti, tak také v kmitočtové oblasti. Dále jsou probírány základní typy signálů a jejich vlastnosti, potřebné operace se signály, klasifikace a analýza systémů. Studenti se také seznámí s vizualizací a zpracováním signálů pomocí počítače s běžným signálovým software a získají praktické zkušenosti s laboratorními přístroji jako osciloskop, signálový generátor, signálový analyzátor, apod. Studenti využijí získané znalosti v navazujících předmětech, které jsou zaměřeny na specifické aplikace metod zpracování signálů.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

Garant předmětu

prof. Ing. Milan Sigmund, CSc.

Zajišťuje ústav

Ústav radioelektroniky (UREL)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen
- změřit, zobrazit a popsat signály,
- definovat a generovat potřebný signál,
- určit spektrum a vlastnosti signálů,
- provádět převody mezi analogovými a číslicovými signály,
- analyzovat systémy,
- diskutovat výhody a nevýhody komunikačních signálů.

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti bakalářské matematiky (derivace, integrály, řešení rovnic, základy pravděpodobnostní analýzy, statistická rozložení).

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky, cvičení na počítači a laboratoře. Předmět využívá e-learning (Moodle).

Způsob a kritéria hodnocení

Studenti mohou získat maximálně 30 bodů za aktivní práci během semestru a 70 bodů za závěrečnou zkoušku. Bodované aktivity jsou následující: jeden test uprostřed semestru zaměřený na počítání signálových příkladů (10 bodů), pět počítačových cvičení (10 bodů) a pět laboratorních cvičení (10 bodů). Závěrečná písemná zkouška obsahuje otázky z teorie signálů s soustav a početní příklady (70 bodů).

Osnovy výuky

1. Úvod do teorie signálů a soustav, základní operace se signály v časové oblasti, harmonický signál, funkce sinc(x), výkon a energie signálů.
2. Periodické a neperiodické signály, typické příklady, obdélníkové impulsy.
3. Fourierova transformace, základní vlastnosti, spektrální funkce vybraných signálů.
4. Korelace a konvoluce, vlastnosti, praktické aplikace, vzájemný vztah.
5. Systémy se spojitým časem, Laplaceova transformace, přenosová funkce.
6. Analýza systémů se spojitým časem, lineární a nelineární systémy.
7. Převody mezi analogovými a digitálními signály, vzorkování, rekonstrukce signálu ze vzorků.
8. Diskrétní Fourierova transformace, použití DFT, princip výpočtu FFT.
9. Systémy s diskrétním časem, prvky diskrétních systémů, charakteristiky.
10. Analýza systémů s diskrétním časem, testovací signály.
11. Signály v náhodných procesech, stacionarita a ergodicita.
12. Signály a soustavy pro přenos dat v komunikacích, modulace a demodulace.
13. Příklady zpracování signálů v multimédiích, lékařství a bezpečnostní oblasti.

Učební cíle

Cílem předmětu je seznámit studenty s nejčastějšími typy signálů a jejich základními vlastnostmi a ukázat analýzu systémů včetně principů působení systémů na signály.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Cvičení na počítačích a laboratorní cvičení jsou povinná. Zameškanou výuku lze nahradit obvykle koncem semestru.

Základní literatura

KAMEN, E. W., HECK, B. S. Fundamentals of Signals and Systems. Englewood Cliffs: Prentice Hall, 2007. (EN)
MITRA, S. K. Digital signal processing. A computer-base approach. New York: The McGraw-Hill Companies, 2011. (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-BC bakalářský

    obor BC-EST , 2 ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Milan Sigmund, CSc.

Osnova

Řečové, datové a obrazové signály. Signál jako funkce času a kmitočtu. Základní operace se signály. Harmonický signál.
Periodické signály v technické praxi. Výpočet spektra periodických obdélníkových impulsů. Poučky o spektrech.
Fyzikální náhled na Fourierovu transformaci. Základní vlastnosti. Spektrální funkce vybraných signálů.
Kmitočtové charakteristiky lineárního neparametrického systému. Ideální přenosový článek. Kmitočtový filtr. Přenosová funkce v Laplaceově transformaci.
Signály jako náhodné procesy. Hustota rozdělení, střední hodnota, rozptyl. Stacionarita a ergodicita. Korelace.
Ideální vzorkování, rekonstrukce signálu ze vzorků. Signály s diskrétním časem. Normovaný čas, normovaný kmitočet.
Operace s diskrétními signály. Diskrétní Fourierova řada. Informace obsažená v prvcích obrazu.
Diskrétní Fourierova transformace. Vlastnosti, příklady. FT diskrétního signálu. Použití DFT. Princip FFT.
Náhodné signály s diskrétním časem.Příklady, počítačové modelování a jeho aplikace. Spektrální hustota výkonu.
Systémy s diskrétním časem. Prvky diskrétních systémů LTI. Charakteristiky, přenos. Příklady.
Sdělovací soustava a její charakteristiky. Signály pro přenos dat v základním pásmu.
Modulace AM, FM a PM. Vlastnosti modulačních systémů, jejich použití v praxi, porovnání.
Signály a soustavy pro přenos dat v přeloženém pásmu. BPSK, QPSK. Signály mnohokanálových soustav.

Cvičení na počítači

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Milan Sigmund, CSc.

Osnova

Základní parametry signálu.
Fourierova řada v komplexním tvaru.
Fourierova transformace a její vlastnosti.
Náhodné procesy se spojitým časem. Vzorkování a kvantování.
Diskrétní Fourierova transformace.
Modulace.

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. Ing. Milan Sigmund, CSc.

Osnova

Seznámení s laboratoří. Bezpečnost práce, obsluha přístrojů.
Spektra periodických signálů.
Amplitudová a kmitočtová modulace (časové průběhy a spektra). Náhodné procesy (analýza).
Vzorkování.
Číslicové zpracování signálu (zpracování signálu z mikrofonu).
Kmitočtové charakteristiky systémů s diskrétním
časem.