УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ ПО ОБРАЗОВАНИЮ
В ОБЛАСТИ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
УЧЕБНАЯ ПРОГРАММА
Наименование дисциплины
«Теория радиотехнических сигналов»
Рекомендуется для направления подготовки (специальности)
090302 Информационная безопасность телекоммуникационных систем
Квалификация (степень) выпускника
«Специалист»
МОСКВА 2012
1. Цели и задачи дисциплины
Дисциплина «Теория радиотехнических сигналов» имеет целью обучить студентов в области основ построения радиоэлектронной аппаратуры сложных информационных систем. Это достигается обучением студентов методам анализа радиотехнических сигналов, ознакомлением с характеристиками и свойствами сигналов применительно к телекоммуникационным системам передачи информации.
Задача дисциплины «Теория радиотехнических сигналов» - сформировать необходимый минимум специальных теоретических и практических знаний, которые обеспечивают понимание принципов использования сложных радиосигналов в области защиты данных в телекоммуникационных системах и анализ свойств таких сигналов применительно к радиоэлектронным системам обработки информации.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Теория радиотехнических сигналов» относится к базовой части профессионального цикла. Изучение её базируется на следующих дисциплинах: «Языки программирования», «Математика», «Теория вероятностей и математическая статистика», «Дискретная математика», «Теория информации и кодирования».
Дисциплина «Теория радиотехнических сигналов» является предшествующей для изучения следующих базовых дисциплин: «Сети и системы передачи информации», «Техническая защита информации», «Основы проектирования защищенных ТКС», «Информационная безопасность ТКС».
3. Требования к результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
способность применять математический и естественный аппарат для решения профессиональных задач, умение интерпретировать профессиональный смысл полученного математического результата (ОНК-3);
разрабатывать научно-техническую документацию по телекоммуникационным системам, подготавливать научно-технические отчеты, обзоры, статьи по результатам выполненных работ, в том числе и исследовательского характера (ОНК-6);
способность постоянно повышать уровень своих знаний в области профессиональной деятельности (ИК-1);
способность самостоятельно работать на современных ПЭВМ на уровне пользователя и использовать современные средства разработки программного обеспечения (ИК-7);
способность применять современные методы исследования с использованием компьютерной техники (НИД-2);
способность оценивать технические возможности и вырабатывать рекомендации по разработке и построению защищенных телекоммуникационных систем общего и специального назначения (НИД-7)
способность осуществить рациональный выбор радиотехнических сигналов для обеспечения информационной безопасности телекоммуникационных систем и их блоков (ПД-5);
способность участвовать в проведении научно-исследовательских работ при аттестации систем и защиты информации с учетом требований к обеспечению информационной безопасности (КАД-1).
способность производить оценку технических характеристик телекоммуникационных систем с учетом используемых современных радиотехнических сигналов (ЭД-3).
В результате изучения дисциплины слушатели должны
знать:
основные понятия, связанные с математическим описанием сигналов и анализом их свойств, характеристик и параметров;
основы структурного, корреляционного анализа сигналов, представление сигналов в частотно-временной областях;
современные виды сигналов, их особенности и свойства, обеспечивающие основные характеристики защищенных телекоммуникационных систем;
модели современных сигналов и алгоритмы их формирования
уметь:
составлять математические модели детерминированных и случайных сигналов во временной и частотной области;
находить основные спектральные и энергетические характеристики сигналов;
применять основные методы анализа сигналов при их преобразовании в радиоэлектронной аппаратуре;
выделять информационную составляющую в спектральной области сигнала;
использовать современную измерительную аппаратуру для определения характеристик и параметров сигналов;
пользоваться научно-технической информацией по радиотехническим сигналам в современных системах связи.
владеть:
использованием ЭВМ для машинного анализа параметров и характеристик сигналов;
методом подбора характеристик и параметров сигналов, их вида применительно к обеспечению улучшенных характеристик и свойств защищенных телекоммуникационных систем;
экспериментальными методами анализа сигналов в узлах аппаратуры с применением измерительных средств.
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
| Всего часов
| Семестры
| 4
| 5
| Общая трудоёмкость
| 216
| 108
| 108
| Аудиторные занятия
| 108
| 54
| 54
| Лекции
| 46
| 30
| 16
| Практические занятия (ПЗ)
| 38
| 22
| 16
| Семинары (С)
| -
| -
| -
| Лабораторные работы (ЛР)
| 18
| -
| 18
| Контрольные работы
| 2
| 2
| 0
| Другие виды аудиторных занятий
| -
| -
| -
| Самостоятельная работа
| 72
| 36
| 36
| Самостоятельная проработка учебного материала
| 54
| 36
| 18
| Курсовой проект (работа)
| -
| -
| -
| Расчётно-графические работы
| 18
| -
| 18
| Домашняя работа ( задание)
| 0
| -
| 0
| Реферат
| -
| -
| -
| Вид итогового контроля
| 2+36
| Зачет (2)
| Экзамен (36)
|
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Методы представления и анализа сигналов
Введение Цели, задачи и значение учебной дисциплины в формировании инженерных и специальных знаний, связь с другими учебными дисциплинами. Содержание теории радиотехнических сигналов. Рекомендации по самостоятельной работе. Литература.
Общие сведения о сигналах Основные понятия и определения: первичные сигналы, видеосигналы, радиосигналы, помехи и искажения. Первичные сигналы: аналоговые, непрерывно-квантованные, дискретно-непрерывные, дискретно-квантованные и цифровые, их структура и математические модели. Математические модели и классификация радиотехнических сигналов: детерминированные и случайные, вещественные и комплексные, аналитические, узкополосные и широкополосные, непрерывные и импульсные, аналоговые, дискретные и цифровые, периодические и непериодические, простые и сложные, модулирующие, модулированные и манипулированные сигналы. Методы представления сигналов: временное, динамическое, частотное и векторное представления сигналов, обобщенные ряды Фурье. Энергия и мощность сигналов, единицы их измерения. Ортогональные сигналы, примеры полных ортонормированных систем сигналов.
Методы представления сигналов Описание сигналов временными функциями: действительные и комплексные сигналы. Динамическое представление сигналов посредством функций включения и дельта-функций, понятие обобщенных функций. Векторное представление сигналов: Евклидово и Гильбертово пространства сигналов, классификация сигналов по коэффициенту корреляции, оценка потенциальной помехоустойчивости сигналов по расстоянию между концами сигнальных векторов. Понятие узкополосного сигнала: математическая модель, комплексная огибающая, мгновенная частота и полная фаза, их свойства, связь между спектрами узкополосного сигнала и его комплексной огибающей. Понятие аналитического и сопряженного сигналов: математическая модель, энергия и взаимосвязь их спектров. Прямое и обратное преобразования Гильберта: свойства, применение для гармонических и узкополосных сигналов.
Спектральный анализ сигналов Спектральный анализ периодических сигналов: тригонометрический ряд Фурье, комплексный ряд Фурье, спектры типовых периодических сигналов. Спектральный анализ непериодических сигналов: прямое и обратное преобразования Фурье, физический смысл спектрального представления сигналов, спектры типовых одиночных импульсов, взаимосвязь спектров одиночного импульса и периодической последовательности импульсов. Основные свойства преобразований Фурье и их использование при определении спектров сигналов. Спектры типовых неинтегрируемых сигналов. Понятия текущего и мгновенного спектров сигнала. Энергетический спектр сигнала: физический смысл, распределение мощности в спектре сигнала, скорость убывания спектра, ширина спектра, необходимая и занимаемая полосы частот, соотношение между длительностью сигнала и шириной его спектра.
Корреляционный анализ сигналов Виды корреляционных функций сигналов. Автокорреляционные функции периодического и непериодического сигналов, их взаимосвязь с соответствующими энергетическими спектрами. Интервал корреляции и эффективная ширина спектра сигнала. Взаимная корреляционная функция двух сигналов, ее свойства и взаимосвязь с взаимным энергетическим спектром этих сигналов.
Вероятностные методы анализа сигналов Место и роль случайных величин и процессов в теории радиотехнических сигналов. Случайные величины: функция распределения и плотность распределения вероятностей, средние значения и моменты случайных величин, наиболее часто используемые плотности распределения вероятностей, корреляция и статистическая независимость случайных величин, плотность распределения вероятностей суммы случайных величин, характеристическая функция случайной величины. Случайные процессы: непрерывные и дискретные, стационарные и нестационарные, эргодические и неэргодические случайные процессы. Вероятностные модели простых случайных процессов. Корреляционные функции случайных процессов: автокорреляционные и взаимные корреляционные функции, их свойства, примеры определения и применения. Спектральная плотность случайных процессов: связь спектральной плотности с преобразованием Фурье, ее свойства, взаимосвязь с корреляционной функцией и с средним квадратом случайного процесса. Энергетический спектр стационарного случайного процесса: теорема Винера-Хинчина, интервал корреляции и эффективная ширина спектра, примеры определения и применения. Нормальный и связанные с ним случайные процессы: математическое описание и свойства. Нормальный белый шум и его векторное представление. Дифференцирование и интегрирование случайных процессов: энергетический спектр производной случайного процесса, корреляционная связь между случайным процессом и его производной. Узкополосные случайные процессы: огибающая, фаза и частота узкополосного случайного процесса, одномерные и двумерные законы распределения плотности вероятности огибающей, функция автокорреляции, корреляционные свойства синфазной и квадратурной амплитуд, плотность вероятности огибающей и фазы узкополосного случайного процесса, огибающая суммы гармонического сигнала и узкополосного нормального шума, условия применимости законов Релея и Райса. Энергетический спектр нестационарного случайного процесса: усреднение по множеству и по времени, двойное усреднение неэргодических процессов, примеры определения и применения. Марковские случайные процессы: определение и классификация, дискретные и непрерывные процессы, марковские цепи, основные свойства марковских процессов, примеры.
Раздел 2. Узкополосные сигналы
Импульсные и цифровые видеосигналы Импульсный переносчик и его модулируемые параметры. Видеосигналы с аналоговой импульсной модуляцией: сигналы с амплитудно-импульсной (АИМ), широтно-импульсной (ШИМ), фазо-импульсной (ФИМ) и частотно-импульсной (ЧИМ) модуляцией. Видеосигналы с квантованной аналоговой импульсной модуляцией: сигналы с квантованной амплитудно-импульсной (КАИМ), квантованной широтно-импульсной (КШИМ), квантованной фазо-импульсной (КФИМ) и квантованной частотно-импульсной (КЧИМ) модуляцией. Цифровые двоичные и многоосновные видеосигналы с кодовой импульсной (КИМ) модуляцией. Свойства видеосигналов с аналоговой и кодовой импульсной модуляцией, их спектры и основные характеристики.
Аналоговые радиосигналы Гармонический переносчик и его модулируемые параметры. Радиосигналы с одной и двумя ступенями модуляции. Радиосигналы с амплитудной модуляцией (АМ): спектры и энергетические характеристики АМ-сигналов при гармоническом и сложном модулирующих сигналах, сигналы с балансной АМ, АМ-сигналы с одной боковой полосой. Радиосигналы с угловой модуляцией: фаза и мгновенная частота сигнала, сигналы с частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляцией, их спектры при гармоническом и негармоническом модулирующих сигналах, узкополосные и широкополосные ЧМ-сигналы. Радиосигналы ЧМ-ЧМ с двумя ступенями модуляции. Радиосигналы с внутриимпульсной частотной модуляцией.
Импульсные и цифровые радиосигналы Структура импульсных радиосигналов с двумя ступенями модуляции. Наиболее распространенные импульсные радиосигналы ФИМ-АМ и АИМ-ЧМ, сравнение их по необходимой полосе частот и по потенциальной помехоустойчивости. Базовые виды цифровых радиосигналов: сигналы КИМа-АМ с амплитудной манипуляцией, сигналы КИМа-ЧМ с частотной манипуляцией и сигналы КИМа-ФМ с фазовой манипуляцией. Двоичные радиосигналы: сигналы КИМ2-АМ с пассивной и активной паузой, ортогональные сигналы КИМ2-ЧМ с частотной манипуляцией и сигналы КИМ2-МЧМ с минимальной частотной манипуляцией, сигналы КИМ2-ФМ с фазовой манипуляцией и сигналы КИМ2-ОФМ с относительной фазовой манипуляцией. Сравнение двоичных радиосигналов по необходимой полосе частот и по потенциальной помехоустойчивости. Семейства многоосновных радиосигналов: радиосигналы КИМа-АМ с пассивной паузой, ортогональные сигналы КИМа-ЧМ, сигналы КИМа-ФМ, биортогональные сигналы КИМа-ФМ/ЧМ, симплексные сигналы. Сигнально-кодовые конструкции: семейства многоосновных радиосигналов с фазовой, амплитудно-фазовой (АФМ) и квадратурной амплитудной (КАМ) манипуляцией. Сравнение многоосновных радиосигналов по необходимой полосе частот и по потенциальной помехоустойчивости.
Раздел 3. Широкополосные сигналы
Структура и виды широкополосных сигналов Широкополосные сигналы: сигналы с расширением полосы и сигналы с расширением спектра сигналов, когерентные и некогерентные сложные сигналы, сигналы с гармонической и с дискретной несущей, кодовые псевдослучайные последовательности (ПСП) и шумоподобные сигналы. Методы расширения спектра сигнала: псевдослучайная перестройка рабочей фазы, псевдослучайная перестройка рабочей частоты (ППРЧ), псевдослучайная перестройка рабочего времени. Шумоподобные сигналы: частотно-временное представление, спектры, корреляционные функции, основные типы, свойства и области применения. Понятие сверхширокополосных сигналов.
Шумоподобные фазоманипулированные сигналы Шумоподобные двоичные ФМн-сигналы. Критерии оптимизации и виды двоичных кодовых последовательностей: последовательности Баркера, М-последовательности, последовательности Лежандра и Якоби, минимаксные, нелинейные и дополнительные последовательности, последовательности максимальной вероятности. Спектры, корреляционные свойства, формирование и обработка кодовых последовательностей Баркера и М-последовательностей. Наиболее распространенные системы ФМн-сигналов, формируемые на основе линейных ПСП.
Системы шумоподобных сигналов Системы фазоманипулированных сигналов: полный код системы сигналов, кодовые последовательности Уолша, кодовые последовательности Велти, производные, сегментные и циклические системы сигналов, объем больших систем сигналов, оценки апериодических взаимно-корреляционных функций.
Системы дискретных частотных сигналов: корреляционные функции, распределение числа совпадений в корреляционных функциях, алгоритмы построения оптимальных систем сигналов, объем больших систем сигналов, дискретные составные частотные сигналы. Сигналы с ППРЧ.
Заключение Перспективные типы сигналов для защищенных телекоммуникационных систем, спутниковой и мобильной связи, высокоскоростных систем передачи данных. Рекомендации по дальнейшей самостоятельной работе. Литература. 5.2. Разделы (темы) дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами №
п/п
| Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин
| № разделов (тем) данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
| 1
| 2
| 3
| 1.
| Сети и системы передачи информации
| +
| +
| +
| 2.
| Техническая защита информации
| +
| +
| +
| 3.
| Основы проектирования защищенных ТКС
| +
| +
| +
| 4.
| Информационная безопасность ТКС
| +
| +
| +
| 5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№ п/п
| Наименование раздела дисциплины
| Лекц.
| Практ.
зан.,
| Лаб.
зан.
| Семин.
| СРС
| Все-го
|
| Введение
| 2
| 0
| 0
| 0
| 0,5
| 2,5
|
| Общие сведения о сигналах
| 4
| 2
| 0
| 0
| 2
| 8
|
| Методы представления сигналов
| 6
| 4
| 0
| 0
| 3,5
| 13,5
|
| Спектральный анализ сигналов
| 4
| 4
| 2
| 0
| 4
| 14
|
| Корреляционный анализ сигналов
| 4
| 2
| 0
| 0
| 2
| 8
| Весенний семестр
|
| Вероятностные методы анализа сигналов
| 10ч-1сем 4ч-2 сем.
| 4
| 4
| 0
| 6,5
| 18,5
|
| Импульсные и цифровые видеосигналы
| 2
| 2
| 2
| 0
| 5
| 11
|
| Аналоговые радиосигналы
| 2
| 2
| 2
| 0
| 3
| 9
|
| Импульсные и цифровые радиосигналы
| 2
| 2
| 2
| 0
| 5
| 9
|
| Структура и виды широкополосных сигналов
| 2
| 2
| 2
| 0
| 1
| 7
|
| Шумоподобные фазоманипулированные сигналы
| 2
| 2
| 2
| 0
| 5
| 9
|
| Системы шумоподобных сигналов
| 2
| 4
| 2
| 0
| 0,5
| 8,5
|
| Заключение
| 0
| 0
| 0
| 0
| 0,5
| 0,5
|
6. Лабораторный практикум
№ п/п
| № раздела дисциплины
| Наименование лабораторных работ
| Трудо-емкость
(час.)
| 1.
| Спектральный анализ сигналов
| Анализ спектров типовых видео и радиосигналов
| 2
| 2.
| Вероятностные методы анализа сигналов
| Анализ вероятностных характеристик типовых сигналов
| 2
| 3.
| Импульсные и цифровые радиосигналы
| Оценка потенциальной помехоустойчивости радиосигналов
| 2
| 4.
| Шумоподобные фазоманипулированные сигналы
| Анализ спектров шумоподобных сигналов
| 2
|
7. Примерная тематика курсовых проектов (работ): не предусмотрен.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
8.1. Основная литература
Баскаков С.И., Радиотехнические цепи и сигналы.: М.: Высшая школа, 2005.
Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Радио и связь, 2007.
Харкевич А.А. Спектры а анализ. М.: Радио и связь, 2004.
Левин Б.Р., Теоретические основы статистической радиотехники, М.: Советское радио, 2001.
8.2. Дополнительная литература
Сиберт У.М., Цепи, сигналы, системы, ч. 1,2 под ред. И.С. Рыжака, М.: Мир. 1988.
Васин В.А., Власов И.Б. и др., Информационная технология в радиотехнических системах, М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003.
Варакин Л.Е., Теория систем сигналов, М.: Советское радио, 1978.
Макс Ж, Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях, том 1.2, под ред. Н.Г. Волкова, М.: Мир, 1983.
Л.Е. Варакин, Системы связи с шумоподобными сигналами, М.: Радио и связь, 1985.
8.3. Программное обеспечение
Windows 9Х/2000/ХР, МS Office ХР, Electronics Workbench, MatLab, Matcad.
8.4. Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Не требуется.
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Компьютерные классы, оборудованные ПК не ниже Intel 586, 512М, RAM, 10G HDD c установленным программным обеспечением: Windows 9Х/2000/ХР, МS Office ХР, Electronics Workbench, MatLab, Matcad. Обеспечение - одна ПЭВМ на одного человека. Видеопроектор и электронная доска.
10. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Сочетание лекций, практических и индивидуальных занятий, лабораторных работ и самостоятельной подготовки обучаемых к занятиям;
Выполнение домашнего задания (в семестре). Цель домашнего задания - приобретение обучаемыми навыков в анализе спектральных, корреляционных, энергетических и информационных характеристик радиосигнала. Домашнее задание выполняется в письменном виде с установленным сроком сдачи
Лабораторные работы выполняются на ПЭВМ и должны способствовать развитию у обучаемых навыков моделирования при изучении свойств и характеристик радиосигнала
В каждом разделе дисциплины выделяются наиболее важная тема и акцентируется внимание обучаемых на понятийных вопросах этой темы
Контрольная работа проводится перед зачетом. В процессе обучения осуществляется на практических занятиях промежуточная аттестация знаний обучаемых.
На практических занятиях используются наглядные пособия в виде плакатов, макетов.
Рекомендуемый перечень тем практических занятий:
- вычисление и анализ спектров периодических сигналов;
- методы и способы вычисления спектров непериодических сигналов;
- основные свойства преобразования Фурье;
- вычисление спектральной плотности неинтегрируемых сигналов;
- принципы корреляционного анализа сигналов;
- методика вычисления автокорреляционных функций сигнала и взаимнокорреляционных функций сигналов;
- спектры модулированных радиосигналов. Методы их вычисления;
- узкополосные сигналы. Аналитический сигнал. Преобразование Гильберта;
- дискретные сигналы. Свойства Z-преобразования;
- математическое описание дискретных сигналов. Свертка дискретных сигналов;
- принципы цифровой фильтрации дискретных сигналов. Понятие о цифровых фильтрах;
- спектры сигналов с импульсной модуляцией;
- корреляционные функции;
- комплексной огибающей сложных сигналов;
- методы повышения разрешения сигналов по частотно-временным параметрам;
- основные свойства М-последовательностей;
- псевдослучайные ФМн-сигналы с малым уровнем боковых лепестков автокорреляционных функций;
- определение параметров случайных процессов;
- функция корреляции и спектра мощности стационарного случайного процесса.
Рекомендуемый перечень тем индивидуальных занятий:
- ортогональные сигналы и обобщенные ряды Фурье;
- интегральные представления сигналов;
- расчеты автокорреляционных функций сигналов;
- теоремы z-преобразования. Модели дискретных сигналов;
- дискретное преобразование Фурье;
- дифференциальные разностные уравнения. Цифровая фильтрация сигналов. Типы цифровых фильтров и способы их построения;
- методы нахождения свертки дискретных сигналов;
- регулярные методы построения систем дискретных частотных сигналов;
- перспективные типы сигналов в спутниковых линиях связи;
Рекомендуемый перечень тем контрольных работ:
- спектры периодических и непериодических управляющих сигналов;
- спектральные характеристики модулированных и манипулированных радиосигналов;
- дискретные сигналы. Свертка сигналов. Обработка сигналов и методы цифровой фильтрации;
- М-последовательности фазоманипулированных радиосигналов.
Рекомендуемые темы домашних заданий (расчетно-графических работ).
- вычисление спектральных плотностей и автокорреляционных функций простых аналоговых сигналов;
- вычисление характеристик дискретных сигналов на базе дискретного преобразования Фурье;
- вычисление корреляционных характеристик шумоподобных сигналов;
- задачи синтеза ФМн-сигналов с заданными корреляционными свойствами. Разработчики: УМО ИБ
|