Рабочая программа дисциплины


1. Название дисциплины: Методы обработки сигналов и полей


2. Уровень высшего образования – подготовка научно-педагогических кадров в аспирантуре.


3. Направление подготовки: 03.06.01 «Физика и Астрономия». Научные специальности: 01.01.03 «Математическая физика», 01.04.03 «Радиофизика», 01.04.04 «Физическая электроника», 01.04.05 «Оптика», 01.04.06 «Акустика», 05.13.18 «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ».


4. Место дисциплины (модуля) в структуре ООП: курс относится к дисциплинам научной специальности вариативной части Блока 1, по результатам освоения которых обучающиеся сдают кандидатский экзамен по научной специальности.


5. Планируемые результаты обучения по дисциплине, соотнесенные с планируемыми результатами освоения образовательной программы (компетенциями выпускников).


Формируемые компетенции

(код компетенции)

Планируемые результаты обучения по дисциплине

УК-1

З1 (УК-1) Знать методы критического анализа и оценки современных научных достижений, а также методы генерирования новых идей при решении исследовательских и практических задач в области анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

У1 (УК-1) Уметь анализировать альтернативные варианты решения исследовательских и практических задач и оценивать потенциальные выигрыши/проигрыши реализации этих вариантов при исследовании задач в области анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

В1 (УК-1) Владеть навыками анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях (анализ непрерывных и дискретных сигналов, методы статистической обработки данных, спектральный и вейвлет анализ, передача данных в современных системах связи).

УК-3

З1 (УК-3) Знать особенности представления результатов научной деятельности в устной и письменной форме при работе в российских и международных исследовательских коллективах в области анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

У1 (УК-3) Уметь следовать нормам, принятым в научном общении при работе в российских и международных исследовательских коллективах с целью решения научных и научно-образовательных задач в области анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

В1 (УК-3) Владеть навыками анализа основных мировоззренческих и методологических проблем, в.т.ч. междисциплинарного характера, возникающих при работе по решению научных и научно-образовательных задач в российских или международных исследовательских коллективах в области анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

УК-5

З1 (УК-5) Знать содержание процесса целеполагания профессионального и личностного развития, его особенности и способы реализации при решении профессиональных задач, исходя из этапов карьерного роста и требований рынка труда в сфере обработки сигналов, оценки статистических параметров и передачи данных.

У1 (УК-5) Уметь формулировать цели личностного и профессионального развития и условия их достижения, исходя из тенденций развития области профессиональной деятельности, этапов профессионального роста, индивидуально-личностных особенностей обработки сигналов, оценки статистических параметров и передачи данных.

В1 (УК-5) Владеть приемами и технологиями целеполагания, целереализации и оценки результатов деятельности по решению профессиональных задач обработки сигналов, оценки статистических параметров и передачи данных.

ОПК-1

Знать физические и математические принципы основных методов анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

Уметь применять математические теории и к описанию соответствующих методов исследования и физической реализации алгоритмов в области анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

Владеть методиками построения алгоритмов и моделей их физических реализаций при анализе непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.


6. Объем дисциплины составляет 2 зачетных единицы, всего 72 часа, из которых 48 часов составляет контактная работа аспиранта с преподавателями (28 часов занятия лекционного типа, 8 часов занятия семинарского типа (семинары и научно-практические занятия), 2 часа групповые консультации, 6 часов индивидуальные консультации, 2 часа мероприятия текущего контроля успеваемости, 2 часа мероприятия промежуточной аттестации), 24 часа составляет самостоятельная работа аспиранта. Форма отчетности - зачет с оценкой.


7. Входные требования для освоения дисциплины (модуля), предварительные условия.

Для изучения дисциплины требуются знания в объеме курса для бакалавриата «Численные методы в физике».


8. Формат обучения: очный, дистанционное обучение не предусмотрено.


9. Содержание дисциплины, структурированное по темам (разделам) с указанием отведенного на них количества академических часов и виды учебных занятий


Наименование и краткое содержание разделов и тем дисциплины (модуля),

форма промежуточной аттестации по дисциплине (модулю)

Всего

(часы)

В том числе

Контактная работа (работа во взаимодействии с преподавателем), часы

из них

Самостоятельная работа обучающегося, часы

из них

Занятия лекционного типа

Занятия семинарского типа

Групповые консультации

Индивидуальные консультации

Учебные занятия, направленные на проведение текущего контроля успеваемости коллоквиумы, практические контрольные занятия и др)*

Всего

Выполне-ние домашних заданий

Подготов-ка рефератов и т.п..

Всего

Тема 1. Введение. Виды сигналов и основные методы работы с ними. Линейные системы. Функция отклика. Принцип причинности. Преобразование Гильберта. Аналитические сигналы.

5

4





4

1


1

Тема 2. Временная и пространственная теоремы отсчётов. Сопряжённые теоремы. Дискретизация физически реализуемых процессов. Теорема Слепяна.

3

2





2

1


1

Тема 3. Спектр сигнала. Непрерывное и дискретное преобразования Фурье. Частотные фильтры.

7

2



2


4

2

1

3

Тема 4. Спектральное и корреляционное описание стационарных сигналов и пространственно-однородных полей. Теоремы Винера-Хинчина и Ван-Циттерта-Цернике. Разложение Карунена-Лоэва.

4

2





2

2


2

Тема 5. Нестационарные сигналы. Разложение Вигнера-Виля. Вейвлеты. Непрерывное вейвлет-преобразование. Связь вейвлет-преобразования и преобразования Фурье. Дискретное вейвлет-преобразование. Фреймы.

9

4

2




6

2

1

3

Тема 6. Байесовское обнаружение, согласованная фильтрация сигналов.

3

2





2

1


1

Тема 7. Пространственная обработка. Антенные и оптические системы как пространственные фильтры.

7

2

2




4

2

1

3

Тема 8. Метод Кейпона, его обобщения, метод Прони, метод максимальной энтропии, применение этих методов для пространственной обработки.

9

2



2

2

6

2

1

3

Тема 9. Частотно-временной анализ нестационарных сигналов.

3

2





2

1


1

Тема 10. Оценивание постоянных и переменных параметров случайных сигналов и полей. Оценки по методу максимального правдоподобия и максимуму апостериорной плотности вероятности. Метод моментов.

6

2

2




4

2


2

Тема 11. Современная обработка сигналов. Передача данных в системах мобильной связи.

6

2



2


4

1

1

2

Тема 12. Аудио и видео кодеки. Алгоритмы сжатия изображений и звука. Compressive sampling и compressive sencing.

8

2

2

2



6

1

1

2

Промежуточная аттестация

2



2

2


Итого

72

28

8

2

6

4

48

18

6

24


10. Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы аспирантов по дисциплине.


Самостоятельная работа аспиранта проводится в виде изучения рекомендованной литературы, решения задач, написания рефератов.

Текущий контроль осуществляется путем индивидуального обсуждения с преподавателем решений задач и рефератов, а также путем групповой дискуссии в группе аспирантов при участии преподавателя.


11. Фонд оценочных средств для промежуточной аттестации по дисциплине.


РЕЗУЛЬТАТ ОБУЧЕНИЯ

по дисциплине (модулю)

КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ РЕЗУЛЬТАТА ОБУЧЕНИЯ

по дисциплине (модулю) и

ШКАЛА оценивания


ПРОЦЕДУРЫ ОЦЕНИВАНИЯ*



2

3

4

5


З1 (УК-1) Знать методы критического анализа и оценки современных научных достижений, а также методы генерирования новых идей при решении исследовательских и практических задач в области анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

Фрагментарные знания методов критического анализа и оценки современных научных достижений, а также методов генерирования новых идей при решении исследовательских и практических задач

Общие, но не структурированные знания методов критического анализа и оценки современных научных достижений, а также методов генерирования новых идей при решении исследовательских и практических задач

Сформированные, но содержащие отдельные пробелы знания основных методов критического анализа и оценки современных научных достижений, а также методов генерирования новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе междисциплинарных.

Сформированные систематические знания методов критического анализа и оценки современных научных достижений, а также методов генерирования новых идей при решении исследовательских и практических задач, в том числе междисциплинарных.

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, рейтинг

У1 (УК-1) Уметь анализировать альтернативные варианты решения исследовательских и практических задач и оценивать потенциальные выигрыши/проигрыши реализации этих вариантов при исследовании задач в области анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

Частично освоенное умение анализировать альтернативные варианты решения исследовательских и практических задач и оценивать потенциальные выигрыши/проигрыши реализации этих вариантов

В целом успешно, но не систематически осуществляемые анализ альтернативных вариантов решения исследовательских и практических задач и оценка потенциальных выигрышей/проигрышей реализации этих вариантов

В целом успешно, но содержащие отдельные пробелы анализ альтернативных вариантов решения исследовательских задач и оценка потенциальных выигрышей/проигрышей реализации этих вариантов

Сформированное умение анализировать альтернативные варианты решения исследовательских и практических задач и оценивать потенциальные выигрыши/проигрыши реализации этих вариантов

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, написание реферата, рейтинг

В1 (УК-1) Владеть навыками анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях (анализ непрерывных и дискретных сигналов, методы статистической обработки данных, спектральный и вейвлет анализ, передача данных в современных системах связи).

Фрагментарное применение навыков анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач

В целом успешное, но не систематическое применение навыков анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач

В целом успешное, но содержащее отдельные пробелы применение навыков анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач

Успешное и систематическое применение навыков анализа методологических проблем, возникающих при решении исследовательских и практических задач, в том числе в междисциплинарных областях

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, защита реферата, рейтинг

З1 (УК-3) Знать особенности представления результатов научной деятельности в устной и письменной форме при работе в российских и международных исследовательских коллективах в области анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

Фрагментарные знания особенностей предоставления результатов научной деятельности в устной и письменной форме

Неполные знания особенностей представления результатов научной деятельности в устной и письменной форме, при работе в российских и международных коллективах

Сформированные, но содержащие отдельные пробелы знания основных особенностей представления результатов научной деятельности в устной и письменной форме при работе в российских и международных исследовательских коллективах

Сформированные и систематические знания особенностей представления результатов научной деятельности в устной и письменной форме при работе в российских и международных исследовательских коллективах

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, рейтинг

У1 (УК-3) Уметь следовать нормам, принятым в научном общении при работе в российских и международных исследовательских коллективах с целью решения научных и научно-образовательных задач в области анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

Фрагментарное следование нормам, принятым в научном общении при работе в российских и международных исследовательских коллективах с целью решения научных и научно-образовательных задач

В целом успешное, но не систематическое следование нормам, принятым в научном общении при работе в российских и международных исследовательских коллективах с целью решения научных и научно-образовательных задач

В целом успешное, но содержащее отдельные пробелы умение следовать основным нормам, принятым в научном общении при работе в российских и международных исследовательских коллективах с целью решения научных и научно-образовательных задач

Успешное и систематическое следование нормам, принятым в научном общении, для успешной работы в российских и международных исследовательских коллективах с целью решения научных и научно-образовательных задач

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, написание реферата, рейтинг

В1 (УК-3) Владеть навыками анализа основных мировоззренческих и методологических проблем, в.т.ч. междисциплинарного характера, возникающих при работе по решению научных и научно-образовательных задач в российских или международных исследовательских коллективах в области анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

Фрагментарное применение навыков анализа основных мировоззренческих и методологических проблем, в т.ч. междисциплинарного характера, возникающих при работе по решению научных и научно-образовательных задач в российских или международных исследовательских коллективах

В целом успешное, но не систематическое применение навыков анализа основных мировоззренческих и методологических проблем, в т.ч. междисциплинарного характера, возникающих при работе по решению научных и научно-образовательных задач в российских или международных исследовательских коллективах

В целом успешное, но сопровождающееся отдельными ошибками применение навыков анализа основных мировоззренческих и методологических проблем, в т.ч. междисциплинарного характера, возникающих при работе по решению научных и научно-образовательных задач в российских или международных исследовательских коллективах

Успешное и систематическое применение навыков анализа основных мировоззренческих и методологических проблем, в т.ч. междисциплинарного характера, возникающих при работе по решению научных и научно-образовательных задач в российских или международных исследовательских коллективах

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, защита реферата, рейтинг

З1 (УК-5) Знать содержание процесса целеполагания профессионального и личностного развития, его особенности и способы реализации при решении профессиональных задач, исходя из этапов карьерного роста и требований рынка труда в сфере обработки сигналов, оценки статистических параметров и передачи данных.

Допускает существенные ошибки при раскрытии содержания процесса целеполагания, его особенностей и способов реализации.

Демонстрирует частичные знания содержания процесса целеполагания, некоторых особенностей профессионального развития и самореализации личности,

указывает способы реализации, но не может обосновать возможность их использования в конкретных ситуациях.

Демонстрирует знания сущности процесса целеполагания, отдельных особенностей процесса и способов его реализации, характеристик профессионального развития личности, но не выделяет критерии выбора способов целереализации при решении профессиональных задач.

Раскрывает полное содержание процесса целеполагания, всех его особенностей, аргументированно обосновывает критерии выбора способов профессиональной и личностной целереализации при решении профессиональных задач.

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, рейтинг

У1 (УК-5) Уметь формулировать цели личностного и профессионального развития и условия их достижения, исходя из тенденций развития области профессиональной деятельности, этапов профессионального роста, индивидуально-личностных особенностей обработки сигналов, оценки статистических параметров и передачи данных.

Допускает существенные ошибки при раскрытии содержания процесса целеполагания, его особенностей и способов реализации.

Демонстрирует частичные знания содержания процесса целеполагания, некоторых особенностей профессионального развития и самореализации личности,

указывает способы реализации, но не может обосновать возможность их использования в конкретных ситуациях.

Демонстрирует знания сущности процесса целеполагания, отдельных особенностей процесса и способов его реализации, характеристик профессионального развития личности, но не выделяет критерии выбора способов целереализации при решении профессиональных задач.

Раскрывает полное содержание процесса целеполагания, всех его особенностей, аргументированно обосновывает критерии выбора способов профессиональной и личностной целереализации при решении профессиональных задач.

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, написание реферата, рейтинг

В1 (УК-5) Владеть приемами и технологиями целеполагания, целереализации и оценки результатов деятельности по решению профессиональных задач обработки сигналов, оценки статистических параметров и передачи данных.

Владеет отдельными приемами и технологиями целеполагания, целереализации и оценки результатов деятельности по решению стандартных профессиональных задач, допуская ошибки при выборе приемов и технологий и их реализации.

Владеет отдельными приемами и технологиями целеполагания, целереализации и оценки результатов деятельности по решению стандартных профессиональных задач, давая не полностью аргументированное обоснование предлагаемого варианта решения.

Владеет приемами и технологиями целеполагания, целереализации и оценки результатов деятельности по решению стандартных профессиональных задач, полностью аргументируя предлагаемые варианты решения.

Демонстрирует владение системой приемов и технологий целеполагания, целереализации и оценки результатов деятельности по решению нестандартных профессиональных задач, полностью аргументируя выбор предлагаемого варианта решения.

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, защита реферата, рейтинг

ОПК-1. Знать физические и математические принципы основных методов анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

Допускает существенные ошибки при описании соответствующих методов.

Допускает отдельные ошибки при описании соответствующих методов.

Демонстрирует знание сущности при описании соответствующих методов в стандартных ситуациях.

Демонстрирует знание сущности при описании соответствующих методов нестандартных ситуациях.

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, рейтинг

ОПК-1. Уметь применять математические теории и к описанию соответствующих методов исследования и физической реализации алгоритмов в области анализа непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

Допускает существенные ошибки при применении соответствующих методов.

Допускает отдельные ошибки при применении соответствующих методов.

Демонстрирует знание сущности при применении соответствующих методов в стандартных ситуациях.

Демонстрирует знание сущности при применении соответствующих методов нестандартных ситуациях.

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, написание реферата, рейтинг

ОПК-1. Владеть методиками построения алгоритмов и моделей их физических реализаций при анализе непрерывных и дискретных сигналов, методов статистической обработки данных, спектрального и вейвлет анализа, передачи данных в современных системах связи.

Допускает существенные ошибки при использовании соответствующих методов.

Допускает отдельные ошибки при использовании соответствующих методов.

Демонстрирует знание сущности при использовании соответствующих методов в стандартных ситуациях.

Демонстрирует знание сущности при использовании соответствующих методов нестандартных ситуациях.

Индивидуальное собеседование, письменные ответы на вопросы, защита реферата, рейтинг


Вопросы и задания по курсу:

По теории:

  1. Расскажите об основных видах сигналов и особенностях их обработки.

  2. Сформулируйте временную и пространственную теоремы отсчетов.

  3. Расскажите о способах определения огибающей сигнала. Что такое аналитический сигнал?

  4. Сформулируйте ограничения, накладываемые принципом причинности на импульсную функцию отклика системы во временном и спектральном представлениях.

  5. Расскажите о способах определения импульсной функции отклика непрерывной и дискретной линейных систем. Приведите уравнениия Юла-Уокера.

  6. Сформулируйте теоремы Винера-Хинчина и Ван-Циттерта-Цернике.

  7. Расскажите о непрерывном вейвлет-преобразовании и его свойствах.

  8. Расскажите о дискретном преобразовании Фурье, его свойствах и связи с дискретным вейвлет-преобразованием

  9. Что такое фреймы?

  10. Расскажите о байесовском методе обнаружения.

  11. Опишите метод максимальног оправдоподобия и приведите примеры его практического использования.

  12. Опишите метод моментов. В чем его преимущества и недостатки?

  13. Опишите методы пространственной обработки.

  14. Расскажите о методе винеровской фильтрации и подавлении с его помощью шумов в изображении.

По реализации:

  1. Какие существуют виды АЦП? В чем их преимущества и недостатки?

  2. Приведите практические схемы дифференцирования и интегрирования сигнала, обработки сигналов с амплитудной и частотной модуляцией.

  3. Как осуществляется кодирование информации и ее передача в сетях мобильной связи?

  4. Какие существуют методы сжатия изображений, и в каких случаях те или иные из них имеют преимущества?

  5. Расскажите о методах Compressive sampling и compressive sencing.


12. Ресурсное обеспечение:

  1. Васильев К.К. Методы обработки сигналов: Учебное пособие. – Ульяновск, 2001. – 80 с.

  2. Марпл.-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. - М.: Мир. 1990. - 584 с.

  3. Чуи Ч. Введение в вейвлеты: Пер. с англ. - М.: Мир, 2001. - 412с.

  4. Добеши И. Десять лекций по вейвлетам. - Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2001, 464 с.

  5. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиофизики. М.: Радио и связь, 1989.

  6. Френкс Л. Теория сигналов. М.: Советское радио, 1974.

  7. Гудмен Дж. Статистическая оптика. М.: Мир, 1988.


Сайт журнала «Акустический журнал» http://www.akzh.ru/


Примеры компьютерных записей сигналов и изображений, содержащих различную информацию.


Помещение для проведения лекционных и семинарских занятий, ноутбук, проектор


13. Язык преподавания. Русский


  1. Преподаватель. Дмитриев Константин Вячеславович, с.н.с., канд. физ.-мат. наук, кафедра акустики.