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

6

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.