Wydział Informatyki - Informatyka (N2)
specjalność: Systemy komputerowe zorientowane na człowieka
Sylabus przedmiotu Cyfrowe przetwarzanie sygnałów:
Informacje podstawowe
| Kierunek studiów | Informatyka | ||
|---|---|---|---|
| Forma studiów | studia niestacjonarne | Poziom | drugiego stopnia |
| Tytuł zawodowy absolwenta | magister inżynier | ||
| Obszary studiów | charakterystyki PRK, kompetencje inżynierskie PRK | ||
| Profil | ogólnoakademicki | ||
| Moduł | — | ||
| Przedmiot | Cyfrowe przetwarzanie sygnałów | ||
| Specjalność | przedmiot wspólny | ||
| Jednostka prowadząca | Katedra Architektury Komputerów i Telekomunikacji | ||
| Nauczyciel odpowiedzialny | Remigiusz Olejnik <Remigiusz.Olejnik@zut.edu.pl> | ||
| Inni nauczyciele | Aleksandr Cariow <Alexandr.Tariov@zut.edu.pl>, Galina Cariowa <Galina.Tariova@zut.edu.pl> | ||
| ECTS (planowane) | 4,0 | ECTS (formy) | 4,0 |
| Forma zaliczenia | zaliczenie | Język | polski |
| Blok obieralny | — | Grupa obieralna | — |
Formy dydaktyczne
Wymagania wstępne
| KOD | Wymaganie wstępne |
|---|---|
| W-1 | Znajomość podstaw matematycznyvh algebry abstrakcyjnej, rachunku macierzowego, matematyki dyskretnej. |
| W-2 | Umiejętność posługiwania się Matlabem. |
| W-3 | Umiejętność samodzielnego poszukiwania informacji w literaturze. |
Cele przedmiotu
| KOD | Cel modułu/przedmiotu |
|---|---|
| C-1 | potrafi konstruować algorytmy realizujące skomplikowane zadania cyfrowego przetwarzania sygnałów ze zredukowaną złożonością obliczeniową oraz implementacyjną. |
Treści programowe z podziałem na formy zajęć
| KOD | Treść programowa | Godziny |
|---|---|---|
| ćwiczenia audytoryjne | ||
| T-A-1 | Określenie zbioru obiektów algebry macierzy oraz studiowanie konstrukcji macierzowych potrzebnych do dalszego opanowania materiału dydaktycznego. Studiowanie zasad i reguł algebry iloczynu Kroneckera. Graficzna reprezentacja przekształceń wektorowo-macierzowych. Grafy sygnałówe. | 1 |
| T-A-2 | Praktyczne studiowanie metody racjonalizacji obliczeń wektorowo-macierzowych oraz konstruowanie szybkich algorytmów wyznaczania iloczynów wektorowo-macierzowych dla wybranych przykładów. Weryfikacja i testowanie otrzymanych rozwiązań. | 1 |
| T-A-3 | Studiowanie metody Strassena mnożenia macierzy. Synteza grafu sygnałówegodla przypadku macierzy 2 stopnie. Opracowanie, weryfikacja i testowanie algorymu mnożenia dwóch macierzy czwartego stopnia, wykorzystujacego metodę Strassena. | 1 |
| T-A-4 | Studiowanie metody Winograda na przykładzie mnożenia dóch macierzy stopnia N. | 1 |
| T-A-5 | Konstruowanie szybkich algorytmów wyznaczania współczynnyków dyskretnej transformacji Fouriera dla liczby elementów wejściowej sekwencji danych będącej potęngą dwójki. Studyowanie zasad i reguł adresacji bitowo-rewersyjnej, rozwiazywanie przykładów. | 1 |
| T-A-6 | Konstruowanie szybkiech algorytmów wyznaczania współczynnyków dyskretnej transformacji Fouriera dla liczby elementów wejściowej sekwencji danych będącej potęngą liczby całkowitej. Studyowanie zasad i reguł adresacji liczbowo-rewersyjnej, rozwiazywanie przykładów. | 1 |
| T-A-7 | Studiowanie algorytmu szybkiej transformacji Fouriera dla danych rzeczywistach. | 2 |
| T-A-8 | Rozwiazywanie zadań syntezy szybkich algorytmów dla pozostałych baz ortogonalnych (Walsha, Hartleya, Slant itd.). | 2 |
| T-A-9 | Konstruowanie szybkiech algorytmów wyznaczania współczynnyków dyskretnej transformacji Fouriera dla liczby elementów wejściowej sekwencji danych będącej iloczynem grupy liczb całkowitych. Studiowanie zasad i reguł adresacji, rozwiazywanie przykładów. | 1 |
| T-A-10 | Konstruowanie algorytmów szybkiego splotu kolowego. | 1 |
| T-A-11 | Konstruowanie szybkich algorytmów splotu liniowego. | 1 |
| T-A-12 | Studiowanie i badanie metody wyznaczania splotu liniowego za pomocą splotu kolowego. | 2 |
| T-A-13 | Studyowanie sposobu wyznaczania splotu kolowego sekwencji rzeczywistych za pomocą algorytmu FFT. | 1 |
| T-A-14 | Studiowanie metod filtracji długich ciągów: Overlap-Save oraz Overlap-add. | 1 |
| T-A-15 | Synteza szybkiego algorytmu wyznaczania współczynników dyskretnej transformacji Falkowej. | 1 |
| 18 | ||
| wykłady | ||
| T-W-1 | Przedmiot cyfrowe przetwarzanie sygnałow (CPS). Historia rozwoju cyfrowego przetwarzania sygnałów. Znane uczone z dziedziny CPS. Architektura komputerów w aspekcie CPS. Układy scalone dedykowane CPS. Literatura CPS. | 1 |
| T-W-2 | Dlaczego CPS? Zalety CPS. Wady CPS. Wymagania do systemów CPS. Zastosowania CPS. Podsumowanie. | 1 |
| T-W-3 | Algorytmiczne aspekty cyfrowego przetwarzania sygnałów (CPS). Przekształcenia wektorowo-macierzowe jako podwalina zadań CPS o charakterze obliczeniowym. Iloczyn skalarny, macierzowy i wektorowo-macierzowy jako podstawowe operacje algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów. Dwa sposoby liczenia iloczynu macierzowo-wektorowego. | 1 |
| T-W-4 | Elementy algebry macierzy. Algebra iloczynu Kroneckera uniwersalnym instrumentem opisu algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów. Racjonalizacja obliczeń macierzowych. Iloczyn macierzowy i wektorowo-macierzowy. Algorytm Strassena. Algorytm Winograda. | 2 |
| T-W-5 | Metoda konstruowania szybkich algorytmów wyznaczania iloczynów wektorowo-macierzowych. Bazowe modele fakroryzacji macierzy 2 stopnia posiadających wytypowaną strukturę. Uogólnienie modeli faktoryzacji dla przypadku macierzy N-tego stopnia. Sposoby wstępnej dekompozycji i modyfikacji macierzy źródłowej. Przykład syntezy zracjonalizowanego algorytmu. | 2 |
| T-W-6 | Widmo sygnału. Dyskretna transformacja Fouriera (DFT). Dyskretne funkcje wykładnicze. Szybkie przekształcenie Fouriera (FFT). Algorytmy FFT z decymacją czasową oraz częstotliwościową. Operacja motylkowa. Adresacja bitowo-rewersyjna. | 2 |
| T-W-7 | Uogólnienie DFT - reprezentacja sygnałów za pomocą szeregów funkcyjnych. Dyskretne baze ortogonalne. Szybkie ałgorytmy wyznaczania dyskretnych transformat ortogonalnych (Walsha, Haara, Slant, Kosynusowej, Hartleya). | 2 |
| T-W-8 | Algorytmy wyznaczania splotów sekwencji cyfrowych. Splot kolowy. Splot liniowy. Wyznaczanie splotu liniowego za pomocą liniowego. Obliczenie splotu kolowego za pomocą dyskretnych transformacji Fouriera. Metody "Overlap-add" i "Overlap-save". Szyblie algorytmy wyznaczania splotów w dziedzinie czasu. Splot dwuwymiarowy. | 1 |
| T-W-9 | Filtracja cyfrowa. Amplitudowo-częstatliwościowe charakterystyki idealnych filtrów. Iloczyn skalarny jako bazowa operacja filtracji cyfrowej. Filtry SOI i NOI. Wady i zalety filtrów SOI i NOI. Idealna filtracja sygnałów w dziedzinie częstotliwosci. | 1 |
| T-W-10 | Welorozdzielcza reprezentacja sygnałów. Falki i technologie falkowe. Skala a częstotliwośc.Przesunięcie i skalowanie. 5 krokuw ciąglej transformacji falkowej. Algorytmy welopoziomowej dekompozycji oraz rekonstrukcji sygnałów cyfrowych. Operacja daunsamplingu i upsamplingu. Szybka transformacja Falkowa w notacji macierzowej. | 1 |
| T-W-11 | Zrównoleglenie ałgorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów jako sposób przyspieszenia obliczeń. Przykłady równoległych algorytmów CPS. | 1 |
| T-W-12 | Odwzorowanie struktury algorytmów CPS w platformach sprzętowo-programowych. Nowoczesne układy scalone dedykowane cyfrowemu przetwarzaniu sygnałów. | 1 |
| T-W-13 | Przyspieszenie obliczeń: jedność i walka przeczywieństw. Hypoteza Mińskiego. Zasada zachowania. | 1 |
| T-W-14 | Przegląd przestudyowanych tematów oraz omówienie wymagań i zasad zaliczenia egzaminu. Odpowiedzi na pytania. | 1 |
| 18 | ||
Obciążenie pracą studenta - formy aktywności
| KOD | Forma aktywności | Godziny |
|---|---|---|
| ćwiczenia audytoryjne | ||
| A-A-1 | Udział w zajęciach | 18 |
| A-A-2 | Udział w konsultacjach. | 2 |
| A-A-3 | Zadania domowe i przygotowanie się do zajęć. | 30 |
| 50 | ||
| wykłady | ||
| A-W-1 | Udział w wykładzie | 18 |
| A-W-2 | Samodzielne studyowanie tematyki zajęć. | 10 |
| A-W-3 | Udzał w konsultacjach | 2 |
| A-W-4 | Studia literaturowe i przygotowanie się do zaliczenia | 20 |
| 50 | ||
Metody nauczania / narzędzia dydaktyczne
| KOD | Metoda nauczania / narzędzie dydaktyczne |
|---|---|
| M-1 | Wykład poznawczy. |
| M-2 | Prezentacja multimedialna. |
| M-3 | Ćwiczenia laboratoryjne. |
Sposoby oceny
| KOD | Sposób oceny |
|---|---|
| S-1 | Ocena podsumowująca: Egzamin pisemny. |
| S-2 | Ocena podsumowująca: Kolokwium pisemne. |
Zamierzone efekty uczenia się - wiedza
| Zamierzone efekty uczenia się | Odniesienie do efektów kształcenia dla kierunku studiów | Odniesienie do efektów zdefiniowanych dla obszaru kształcenia | Odniesienie do efektów uczenia się prowadzących do uzyskania tytułu zawodowego inżyniera | Cel przedmiotu | Treści programowe | Metody nauczania | Sposób oceny |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I_2A_C04_W01 Rozumie podstawy algorytmiczne rozwiązywania zadań cyfrowego przetwarzania sygnałów. | I_2A_W01, I_2A_W04 | — | — | C-1 | T-W-4, T-W-6, T-W-13, T-W-12, T-W-11, T-W-10, T-W-8, T-W-1 | M-1, M-2, M-3 | S-1 |
Zamierzone efekty uczenia się - umiejętności
| Zamierzone efekty uczenia się | Odniesienie do efektów kształcenia dla kierunku studiów | Odniesienie do efektów zdefiniowanych dla obszaru kształcenia | Odniesienie do efektów uczenia się prowadzących do uzyskania tytułu zawodowego inżyniera | Cel przedmiotu | Treści programowe | Metody nauczania | Sposób oceny |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I_2A_C04_U01 Potrafi konstruowac, analizować oraz testować zracjonalizowane algorytmy realizacji bazoswych zadań cyfrowego przetwarzania sygnałów. | I_2A_U01, I_2A_U04, I_2A_U08, I_2A_U15 | — | — | C-1 | T-W-4, T-W-6, T-W-13, T-W-12, T-W-11, T-W-10, T-W-8, T-W-1 | M-1, M-2, M-3 | S-2, S-1 |
Zamierzone efekty uczenia się - inne kompetencje społeczne i personalne
| Zamierzone efekty uczenia się | Odniesienie do efektów kształcenia dla kierunku studiów | Odniesienie do efektów zdefiniowanych dla obszaru kształcenia | Odniesienie do efektów uczenia się prowadzących do uzyskania tytułu zawodowego inżyniera | Cel przedmiotu | Treści programowe | Metody nauczania | Sposób oceny |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| I_2A_C04_K01 Potrafi doskonalic wlasną wiedzę, używać jej pry rozwiązywaniu zadań praktycznych oraz poszukiwać nowe dotąd nierozwiazane zadania z branzy cyfrowego przetwarzania sygnałów. | I_2A_K04 | — | — | C-1 | — | M-1, M-2, M-3 | S-2, S-1 |
Kryterium oceny - wiedza
| Efekt uczenia się | Ocena | Kryterium oceny |
|---|---|---|
| I_2A_C04_W01 Rozumie podstawy algorytmiczne rozwiązywania zadań cyfrowego przetwarzania sygnałów. | 2,0 | Brak spełnienia wymogów na ocene dostateczna. |
| 3,0 | Potrafi omówić podstawowe zagadnienia, zadania oraz zastosowania cyfrowego przetwarzania sygnałów. Dysponuje wiedzą o zasadach cyfryzacji sygnałów, charakterystykach procesorów sygnałowych, zaletach i wadach i ograniczeniach CPS. | |
| 3,5 | Jak na ocenę dostateczną oraz potrafi opisać typowe zadania cyfrowego przetwarzania sygnałów w notacji wektorowo-macierzowej. | |
| 4,0 | Jak na ocenę 3,5 oraz potrafi omówić sposoby minimalizacji liczby działań przy realizacji bazowych zadań (makrooporacji) cyfrowego przetwarzania sygnałów. | |
| 4,5 | Jak na ocenę 4 oraz potrafi rozwiązac przykład i narysować graf sygnałowy dla losowo wybranego przykładu. | |
| 5,0 | Jak na ocene 4,5 oraz potrafi samodzielnie zaprojektować zracjonalizowany algorytm realizacji typowej makrooperacji CPS ze zredukowaną złozonością obliczeniową i potrafi dokonać oszacowanie złozonosci obliczeniowej opracowanego algorytmu. |
Kryterium oceny - umiejętności
| Efekt uczenia się | Ocena | Kryterium oceny |
|---|---|---|
| I_2A_C04_U01 Potrafi konstruowac, analizować oraz testować zracjonalizowane algorytmy realizacji bazoswych zadań cyfrowego przetwarzania sygnałów. | 2,0 | Brak spełnienia warunków na ocenę dostateszną. |
| 3,0 | Zna właściwości struktur procesorów sygnałowych, potrafi uzasadnis wybór srodowiska implementacyjnego do realizacji konkretnego zadania cyfrowego przetwarzania sygnałów. | |
| 3,5 | Zna podstawowe ałgorytmy racjonalizacji obliczeń w zadaniach cyfrowego przetwarzania sygnałów oraz potrafi zademonstrować te umijętnosci na konkretnych przykładach. | |
| 4,0 | Potrafi rozwiązać zadanie racjonalizacji obliczeń dla podanego przez egzaminatora przykładu, narysować odpowiednie grafy sygnałowe procesu obliczeniowego oraz oszacowac zyski. | |
| 4,5 | Jak na ocenę 4,0 oraz potrafi zaprojektować algorytm realizujacy wybrane zadanie CPS ze zredukowana złozonoscią obliczeniowa. | |
| 5,0 | Potrafi wykonac analizę systemową oryginalnego zadania CPS, wykonac strukturalną dekompozycję procesu obliczeniowego, wytypować podstawowe fragmenty przestrzenno-czasowej struktury tego procesu. |
Kryterium oceny - inne kompetencje społeczne i personalne
| Efekt uczenia się | Ocena | Kryterium oceny |
|---|---|---|
| I_2A_C04_K01 Potrafi doskonalic wlasną wiedzę, używać jej pry rozwiązywaniu zadań praktycznych oraz poszukiwać nowe dotąd nierozwiazane zadania z branzy cyfrowego przetwarzania sygnałów. | 2,0 | Student nie umie wykorzystać podstawowych narzędzi. |
| 3,0 | Student poprawnie wykorzystuje zaledwie kilka narzędzi sposród omawianych przez prowadzacego. | |
| 3,5 | Student poprawnie wykorystuje prawie wszystkie narzędzia. | |
| 4,0 | Student nie tylko poprawnie wykorzystuje narzędzia, ale również potrafi w analityczny sposób je porównać. | |
| 4,5 | Student potrafi wykorzystywać wszystkie zaproponowane w trakcie zajęć narzędzia, potrafi porównywać ich efektywność, a także przy ich pomocy identyfikować najleprze rozwiazania. | |
| 5,0 | Student potrafi wykorzystywać wszystkie zaproponowane w trakcie zajęć narzędzia, potrafi porównywać ich efektywność, a także samodzielnie identyfikować narzędzia potrzebne do rozwiązania zadanego problemu z jednoczesnym uzasadnieniem wyboru. |
Literatura podstawowa
- Kwiatkowski, Włodzimierz, Wstęp do cyfrowego przetwarzania sygnałów, Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, 2003, 426 str., ISBN 8391675343
- Zieliński, Tomasz Piotr, Cyfrowe przetwarzanie sygnałów: od teorii do zastosowań, Wydawnictwo Wydawnictwa Komunikacji i Łączności WKŁ, Warszawa 2007, 2007, 832 str., ISBN: 978-83-206-1640-8
- Marven, Craig, Gillian Ewers, Zarys cyfrowego przetwarzania sygnałów, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1999, 225 str., ISBN 83-206-1306-X
- Smith, Steven W., Cyfrowe przetwarzanie sygnałów: praktyczny poradnik dla inżynierów i naukowców, Wydawnictwo BTC, Warszawa, 2007, 624 s. ISBN: 978-83-60233-18-4
- Lyons, Richard G., Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów, Wydawnictwo WKiŁ, Warszawa, 2000, 462 str., ISBN: 83-206-1318-3
- Steven W. Smith, Cyfrowe przetwarzanie sygnałów praktyczny poradnik dla inżynierów DSP, BTC, Warszawa, 2007
- Piotr Porwik, Wybrane metody Wybrane metody cyfrowego przetwarzania sygnałów cyfrowego przetwarzania sygnałów z przykładami programów w Matlabie, Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice, 2015
Literatura dodatkowa
- Alexandr Tariov, Algorytmiczne aspekty racjonalizacji obliczeń w cyfrowym przetwarzaniu sygnałów, Wydawictwo uczelniane ZUT, Szczecin, 2011, ISBN 978-83-7663-098-4
- Alexandr Tariov, Galina Tariova, Dorota Majorkowska-Mech., Algorytmy wielopoziomowej dekompozycji oraz rekonstrukcji sygnałów cyfrowych., Polska Akademia Nauk Oddił w Gdańsku., Szczecin, 2012, ISBN 978-83-925803-9-3