Detail předmětu

Teorie sdělování

FEKT-MPC-TSDAk. rok: 2022/2023

Předmět se věnuje principům, metodám a vlastnostem sdělovacích systémů. Zaměřuje se především na moderní digitální systémy a modulační metody. Studenti si však také prohloubí znalosti o analogových modulacích, jejich parametrech a metodách implementace. Získané teoretické znalosti z přednášek jsou prakticky ověřovány v rámci laboratorních cvičení měřením s pomocí speciálně navržených přípravků a dále v počítačových cvičeních na modelech sestavených v prostředí MATLAB-SIMULINK. V rámci cvičení odborného základu se studenti na praktických příkladech naučí počítat základní parametry potřebné pro návrh sdělovacích systémů.

Jazyk výuky

čeština

Počet kreditů

7

Garant předmětu

prof. Ing. Jiří Mišurec, CSc.

Zajišťuje ústav

Ústav telekomunikací (UTKO)

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen:
- rozpoznat základní typy binárních signálů, vypočítat a načrtnout jejich spektrum, vypočítat modulační a přenosovou rychlost, popsat principy a vlastnosti nejpoužívanějších linkových kódů,
- vyjmenovat jednotlivé bloky digitálního komunikačního systému (sdělovací soustavy) a vysvětlit jejich funkce,
- popsat model kanálu s aditivním bílým Gaussovým šumem, definovat bitovou chybovost, vypočítat pravděpodobnost chybného příjmu binárního signálu v základním a v přeloženém pásmu, v případě rušení aditivním bílým Gaussovým šumem,
- popsat principy, definovat základní parametry a vyjmenovat vlastnosti základních i moderních modulačních metod,
- vysvětlit princip vzniku mezisymbolových přeslechů (ISI) a Nyquistovy strategie nulových ISI v okamžicích vzorkování, nakreslit a popsat kmitočtové charakteristiky tvarovacích filtrů s umocněným kosinusovým a Gaussovským spektrem,
- popsat obecný princip ekvalizace přenosové funkce kanálu, vysvětlit funkci adaptivních ekvalizérů a ekvalizérů s rozhodovací zpětnou vazbou (DFE),
- vysvětlit princip a důležitost taktové synchronizace ve sdělovacích systémech, vysvětlit účel skramblování, navrhnout schéma zapojení jednoduchého, samostatně synchronizovaného skrambleru,
- popsat princip zpětného a dopředného zabezpečení přenosu proti chybám, vysvětlit obecný princip prokládání, popsat metodu blokového a konvolučního prokládání,
- vysvětlit rozdíl mezi přirozeným a uniformním vzorkováním, důvod vzniku tzv. aperturového zkreslení a metody jeho potlačení,
- popsat princip šířkové a polohové impulzové modulace a modulace hustotou impulzů,
- vysvětlit rozdíl mezi rovnoměrným a nerovnoměrným kvantováním, vypočítat výkon kvantizačního šumu, nakreslit převodní charakteristiky kompresoru a expandoru,
- popsat principy a vyjmenovat základní vlastnosti impulzových kódovaných modulací (PCM, DPCM, DM, SDM),
- vysvětlit principy základních metod multiplexování signálů a mnohonásobného přístupu ke společnému přenosovému médiu,
- popsat a navrhnout ortogonální kmitočtový multiplex, definovat jeho základní parametry a vyjmenovat jeho charakteristické vlastnosti a příklady použití v praxi,
- popsat základní typy intenzitních modulací používaných v optoelektronice,
- kategorizovat jednotlivé systémy digitálních účastnických vedení, vysvětlit princip zvyšování jejich přenosové kapacity, nakreslit a popsat blokové schéma ADSL přípojky, nakreslit rozdělení kmitočtového pásma ADSL, vysvětlit princip vzniku přeslechů na blízkém a vzdáleném konci,
- definovat a vypočítat základní veličiny požívané v teorii informace (množství informace, entropie, redundance, vzájemná informace, kapacita kanálu), vysvětlit princip mřížkově kódované modulace (TCM).

Prerekvizity

Student, který si zapíše předmět, by měl znát základní definice a charakteristiky signálů a systémů se spojitým a diskrétním časem, včetně matematického popisu a reprezentace v kmitočtové oblasti, znát hustoty a distribuční funkce základních druhů rozdělení pravděpodobnosti, mít přehled o vzorkování a filtraci signálů. Student by také měl umět derivovat, integrovat, počítat s logaritmy a komplexními čísly, řešit lineární rovnice, pracovat s goniometrickými funkcemi a používat software MATLAB. Obecně jsou požadovány znalosti z matematiky a fyziky na úrovni bakalářského studia. Práce v laboratoři je podmíněna platnou kvalifikací „osoby znalé pro samostatnou činnost“, kterou musí studenti získat před zahájením výuky. Informace k této kvalifikaci jsou uvedeny ve Směrnici děkana Seznámení studentů s bezpečnostními předpisy.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a dále tři formy cvičení (počítačová, laboratorní a cvičení odborného základu). V počítačových cvičeních je využíván software MATLAB.  Laboratorní cvičení probíhají s pomocí speciálně vytvořených přípravků, generátorů Keysight DSOX2012A a osciloskopů Siglent SDG2042X. Ve cvičeních odborného základu jsou počítány příklady z oblasti sdělování a přenosu dat. 

Způsob a kritéria hodnocení

Výsledné hodnocení závisí na celkovém součtu bodů získaných za laboratorní cvičení, cvičení odborného základu, počítačová cvičení a písemnou zkoušku. Student může získat:
- až 10 bodů za všechna laboratorní cvičení, přičemž body student postupně obdrží vždy na konci jednotlivých cvičení, kdy vyučující ověří správnost naměřených výsledků a formulovaných závěrů v odevzdaném protokolu,
- až 10 bodů za cvičení odborného základu , přičemž body student získává podle výsledku z počítačového testu znalostí, který je obvykle na programu po 5. cvičení,
- až 10 bodů za všechna počítačová cvičení, přičemž body student získává za správně provedené a včas odevzdané úkoly z jednotlivých cvičeních,
- až 70 bodů za zkoušku, která je povinná, má písemnou formu a k jejímu složení jsou připuštěni pouze studenti, kteří předtím získali zápočet. Pokud má zkoušející problém vyhodnotit odevzdaný výstup písemné zkoušky, může studentovi ústně položit doplňující otázky.
Zápočet je udělen těm studentům, kteří do konce výukové části semestru absolvují všechna laboratorní cvičení, všechna cvičení odborného základu a z testu ze cvičení odborného základu získají více než 0 bodů. Test ze cvičení odborného základu může každý student absolvovat pouze jednou.

Osnovy výuky

Přednášky:
1. Signály ve sdělovacích systémech. Základní typy binárních signálů. Modulační a přenosová rychlost. Příklady se signály.
2. Linkové kódy. Minimální potřebná šířka pásma přenosového kanálu. Obecné schéma digitálního sdělovacího systému. Technické prostředky pro přenos signálu.
3. Působení šumu ve sdělovacích systémech. Model kanálu s aditivním bílým Gaussovým šumem. Pravděpodobnost chybného příjmu. Přizpůsobený filtr. Korelační přijímač.
4. Modulace s harmonickou nosnou vlnou, analogové modulace AM , FM a PM.
5. Základní klíčovací techniky (ASK, FSK, BPSK), obnova nosné při demodulaci BPSK, klíčování DPSK.
6. Základní vlastnosti a parametry modulačních systémů. Modulace QPSK, O-QPSK, MSK, FFSK, GMSK a porovnání jejich spekter.
7. Modulace π/4-DQPSK, 8PSK, MQAM, CAP. Číslicový kvadraturní demodulátor.
8. Mezisymbolové přeslechy a tvarovací filtry. Ekvalizéry: adaptivní, DFE, Viterbiho. Přiklad ekvalizace rádiového kanálu.
9. Detektor přechodů, synchronizátor Early-late gate, skramblery, způsoby protichybového zabezpečení, prokládání: blokové, konvoluční. Modulace PAM, PWM, PPM.
10. Číslicové vyjádření analogových signálů. Modulace PCM, kvantování, kompresní charakteristiky, DPCM, DM, SDM. Simulační modely impulzových modulací.
11. Multiplexy FDM, TDM, CDM. Mnohonásobné přístupy FDMA, TDMA, ALOHA. Systémy s rozprostřeným spektrem. Ortogonální kmitočtový multiplex.
12. Modulace v optoelektronice. Úzkopásmový šum a jeho matematický popis. Odstup signál-šum u AM a FM. Pravděpodobnost chybného příjmu u ASK, FSK, BPSK a DPSK.
13. Množství informace, entropie, redundance, přenesená informace, kapacita kanálu, Shannon-Hartleyův teorém. Huffmanovo kódování, konvoluční kódování, mřížkově kódovaná modulace (TCM).

Laboratorní cvičení:
1. Časové průběhy a spektra základních signálů
2. Metody snižující pravděpodobnost chybného příjmu.
3. Kódování dat pro přenos.
4. Skrambler / deskrambler.
5. Základní klíčovací techniky.
6. Náhradní cvičení. 

Cvičení odborného základu:
1. Časové průběhy, spektra a výpočet základních parametrů datových signálů v základním pásmu.
2. Příklady na výpočet parametrů AM signálů, odvození spektra AM, příklady demodulace součinovým demodulátorem.
3. Příklady na výpočet parametrů FM a PM signálů, stereofonní multiplex.
4. Ukázky a matematický popis digitálních modulací, parametry QAM.
5. Výpočet parametrů PAM, PWM, dynamika A/D převodníku, kvantizační šum, přetížení kodéru DM, porovnání PCM a DPCM.
6. Výpočet pravděpodobnosti chybného příjmu, příklady z teorie informace. 

Cvičení na počítači:
1. MATLAB, kodér HDB3, model přenosového kanálu s aditivním bílým normálním šumem.
2. Přizpůsobený filtr a korelační přijímač.
3. Základní klíčovací techniky (ASK, FSK, PSK).
4. Princip kvadraturních modulací (QPSK, 16QAM).
5. Impulzové modulace (DM, ADM, SDM, PCM).
6. Techniky rozprostření spektra.

Učební cíle

Cílem předmětu je poskytnout studentům základní informace o signálech, metodách, principech a parametrech sdělovacích systémů, zejména digitálních, a dále o jevech, které mají vliv na chybovost či rychlost přenosu informací.

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

Laboratorní cvičení a cvičení odborného základu (numerická) jsou povinná. Zmeškaná, řádně omluvená cvičení, lze po domluvě s příslušným vyučujícím nahradit, nejpozději v zápočtovém týdnu.

Základní literatura

ČÍŽ, R. Principy modulací a přenosu sdělovacích signálů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO. 1. vyd. Brno : Vysoké učení technické v Brně, 2014. 140 s. ISBN 978-80-214-5117-9. (CS)
DOBEŠ, J.; ŽALUD, V. Moderní radiotechnika. 1. vyd., Praha : BEN, 2006. 768 s. ISBN 80-7300-132-2 (CS)

Doporučená literatura

HAYKIN, S.; MOHER, M. Introduction to Analog & Digital Communications. 2nd ed., New Jersey (USA) : John Wiley & Sons, 2007. 515 p. ISBN 0-471-43222-9 (EN)
HSU, H. P. Schaum's Outline of Theory and Problems of Analog and Digital Communications. 2nd ed., New York (USA) : McGraw-Hill, 2003. 331 p. ISBN 0-07-140228-4 (EN)
PROAKIS, J. G. Digital Communications. 4th ed., New York (USA) : McGraw-Hill, 2001. 1002 p. ISBN 0-07-232111-3 (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPC-IBE magisterský navazující 1 ročník, zimní semestr, povinný
  • Program MPC-TIT magisterský navazující 1 ročník, zimní semestr, povinný

  • Program MPC-AUD magisterský navazující

    specializace AUDM-TECH , 1 ročník, zimní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Ing. Radim Číž, Ph.D.

Osnova

1. Signály ve sdělovacích systémech, příklady se signály, modulační a přenosová rychlost.
2. Modulační rychlost a šířka pásma kanálu, linkové kódy, sdělovací soustava.
3. Model kanálu s aditivním bílým šumem, přizpůsobený filtr, korelační přijímač.
4. Analogové modulace AM a FM, klíčování ASK a FSK, součinový demodulátor.
5. Modulace PM a klíčování BPSK, obnova nosné při demodulaci BPSK, klíčování DPSK.
6. Modulace QPSK, O-QPSK, MSK, FFSK, GMSK a porovnání jejich spekter.
7. Modulace π/4-DQPSK, 8PSK, MQAM, CAP, číslicový kvadraturní demodulátor.
8. Mezisymbolové přeslechy a tvarovací filtry. Ekvalizéry: adaptivní, DFE, Viterbiho. Přiklad ekvalizace rádiového kanálu.
9. Detektor přechodů, synchronizátor Early-late gate, skramblery, způsoby protichybového zabezpečení, prokládání: blokové, konvoluční. Modulace PAM, PWM, PDM, PPM.
10. Číslicové vyjádření analogových signálů. Modulace PCM, kvantování, kompresní charakteristiky, DPCM, DM, SDM. Simulační modely impulzových modulací.
11. Multiplexy FDM, TDM, CDM. Mnohonásobné přístupy FDMA, TDMA, ALOHA. Systémy s rozprostřeným spektrem. Ortogonální kmitočtový multiplex.
12. Modulace v optoelektronice. Úzkopásmový šum a jeho matematický popis. Odstup signál-šum u AM a FM. Pravděpodobnost chybného příjmu u ASK, FSK, BPSK a DPSK.
13. Množství informace, entropie, redundance, přenesená informace, kapacita kanálu, Shannon-Hartleyův teorém. Huffmanovo kódování, konvoluční kódování, TCM.

Cvičení odborného základu

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Radim Číž, Ph.D.

Osnova

1. Časové průběhy, spektra a výpočet základních parametrů datových signálů v základním pásmu.
2. Příklady na výpočet parametrů AM signálů, odvození spektra AM, příklady demodulace součinovým demodulátorem.
3. Příklady na výpočet parametrů FM a PM signálů, stereofonní multiplex.
4. Ukázky a matematický popis digitálních modulací, parametry QAM.
5. Výpočet parametrů PAM, PWM, dynamika A/D převodníku, kvantizační šum, přetížení kodéru DM, porovnání PCM a DPCM.
6. Výpočet pravděpodobnosti chybného příjmu, příklady z teorie informace.

Cvičení na počítači

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Radim Číž, Ph.D.

Osnova

1. Uživatelské rozhraní Matlabu, m-soubory a modely v Simulinku. Skript kodéru HDB3, model přenosového kanálu s aditivním bílým šumem.
2. Model přijímače s přizpůsobeným filtrem a vybíjeným integrátorem.
3. Klíčování ASK, FSK a BPSK.
4. Digitální modulace a demodulace QPSK a 16QAM.
5. Impulzové modulace a demodulace DM, ADM, SDM a PCM.
6. Vysílače a přijímače systémů DS-SS a FH-SS.

Laboratorní cvičení

13 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Ing. Radim Číž, Ph.D.
Ing. Antonín Bohačík

Osnova

1. Časové průběhy a spektra základních signálů.
2. Metody snižující pravděpodobnost chybného příjmu.
3. Kódování dat pro přenos.
4. Skrambler/ deskrambler.
5. Základní klíčovací techniky.
6. Náhradní cvičení a zápočet.