МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»

Радиофизический факультет

Кафедра бионики и статистической радиофизики

УТВЕРЖДАЮ

Декан радиофизического факультета
____________________Якимов А.В.

«18» мая 2011 г.

Учебная программа
Дисциплины М2.Р3 «Цифровые системы связи»
по направлению 011800 «Радиофизика»
магистерская программа «Информационные процессы и системы»

Нижний Новгород

2011 г.

1. Цели и задачи дисциплины

Цель курса:

• 
  ознакомление с основными принципами построения цифровых систем связи;
  
• 
  знакомство с методами формирования, передачи и приема сигналов, основными показателями качества систем связи.
  

Изучение курса предполагает:

• 
  усвоение основных принципов построения цифровых систем связи;
  
• 
  усвоение методов формирования, передачи и приема сигналов и методов расчета основных характеристик систем связи.
  

2. Место дисциплины в структуре магистерской программы

Дисциплина «Цифровые системы связи» относится к дисциплинам вариативной части профессионального цикла основной образовательной программы по направлению 011800 «Радиофизика».
3. Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате освоения дисциплины формируются следующие компетенции:

• 
  способностью использовать базовые знания и навыки управления информацией для решения исследовательских профессиональных задач, соблюдать основные требования информационной безопасности, защиты государственной тайны (ОК-l0);
  
• 
  способность к свободному владению знаниями фундаментальных разделов физики и радиофизики, необходимыми для решения научно-исследовательских задач (в соответствии со своим профилем подготовки) (ПК-1);
  
• 
  способность к свободному владению профессионально-профилированными знаниями в области информационных технологий, использованию современных компьютерных сетей, программных продуктов и ресурсов Интернет для решения задач профессиональной деятельности, в том числе находящихся за пределами профильной подготовки (ПК-2);
  
• 
  способность использовать в своей научно-исследовательской деятельности знание современных проблем и новейших достижений физики и радиофизики (ПК-3);
  
• 
  способность самостоятельно ставить научные задачи в области физики и радиофизики (в соответствии с профилем подготовки) и решать их с использованием современного оборудования и новейшего отечественного и зарубежного опыта (ПК-4).
  

В результате изучения студенты должны:

• 
  знать основные принципы построения цифровых систем связи;
  
• 
  знать основные методы формирования, передачи и приема сигналов в системах связи.
  

4.Объем дисциплины и виды учебной работы

Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетные единицы, 108 часов.

Виды учебной работы	Всего часов	Семестры
Общая трудоемкость дисциплины	108	9
Аудиторные занятия	32	32
Лекции	32	32
Практические занятия (ПЗ)	0	0
Семинары (С)	0	0
Лабораторные работы (ЛР)	0	0
Другие виды аудиторных занятий	0	0
Самостоятельная работа	40	40
Курсовой проект (работа)	0	0
Расчетно-графическая работа	0	0
Реферат	0	0
Другие виды самостоятельной работы	0	0
Вид итогового контроля (зачет, экзамен)	экзамен (36)	экзамен (36)

5. Содержание дисциплины

5.1. Разделы дисциплины и виды занятий

№п/п	Раздел дисциплины	Лекции	ПЗ (или С)	ЛР
1.	Методы обработки сигналов	20
2.	Системы связи с антенными решетками	12

5.2. Содержание разделов дисциплины

I. Методы обработки сигналов.

1.1. Системы сотовой связи и беспроводного Интернета.

История развития систем сотовой связи и беспроводного Интернета. Функциональная блочная схема системы беспроводной цифровой связи и назначение отдельных блоков. Основные принципы построения сотовых систем связи. Гексагональная структура сети. Повторное использование частот. Процедура передачи пользователя от одной базовой станции к другой (handoff control).

1.2. Преобразование аналоговой информации в дискретную форму. Кодирование источников.

Спектр дискретного сигнала. Частота Найквиста. Эффект наложения спектра при дискретизации. Восстановление сигнала по его временным выборкам. Теорема Котельникова. Квантование амплитуды аналоговых сигналов. Равномерная и неравномерная импульсно-кодовая модуляция. Логарифмический компрессор. Кодирование дискретных источников. Информационная емкость источника сообщений. Кодовые слова фиксированной и переменной длины. Алгоритм кодирования Хаффмена.

1.3. Спектральная эффективность каналов.

Логарифмическая мера информации. Количество информации в дискретных сообщениях. Информационная емкость дискретного и непрерывного сигнала. Модели каналов без памяти (двоичный симметричный канал, дискретный канал, канал с дискретным входом и непрерывным выходом). Спектральная эффективность этих каналов. Спектральная эффективность частотно ограниченного канала с аддитивным шумом и дискретным временем. Теорема Шеннона о кодировании в канале с шумами. Некоторые предельные переходы для спектральной эффективности.

1.4. Демодуляция (обнаружение) сигналов с различной модуляцией на фоне шума.

Корреляционный демодулятор (основные вероятностные характеристики сигнала и шума на выходе корреляционного приемника, выходное ОСШ, примеры). Согласованный фильтр как демодулятор (импульсная характеристика, передаточная функция, выходное ОСШ, примеры). Оптимальный детектор для модуляции без памяти. Критерий максимума апостериорной вероятности и критерий максимального правдоподобия при детектировании сигналов. Вероятность битовой и символьной ошибки в гауссовом шумовом канале для 2-, 4-ФМ, 16- и 64-КАМ модуляций, а также для сигналов частотной модуляции. Понятие коэффициента использования полосы. Два основных класса цифровых систем связи - системы с передачей ортогональных или неортогональных сигналов.

1.5. Канальное (помехоустойчивое) кодирование и декодирование.

Сверточный кодер. Различные представления сверточного кодера (векторы связи, импульсная характеристика, полиномиальное представление, диаграмма состояний и древовидная диаграмма, решетчатая диаграмма). Физический смысл канального кодирования. Декодирование по методу максимального правдоподобия. Мягкое и жесткое принятие решений. Алгоритм сверточного декодирования Витерби. Свойства сверточных кодов (минимальный просвет, способность к исправлению ошибок, эффективность). Перемежитель (интерливер).

1.6. Основные методы разделения пользователей в системах связи.

Сравнение производительности систем связи с временным и частотным разделениями пользователей. Кодовое разделение пользователей в CDMA-системах связи. Кодовые псевдошумовые последовательности Уолша. RAKE-приемник. Пространственное разделение пользователей.

1.7. Передача и прием информации в OFDM-системах связи.

Ортогональные многомерные сигналы с частотным сдвигом. Формирование OFDM-сигнала. Прием OFDM-сигнала. Пропускная способность OFDM-системы.

II. Системы связи с антенными решетками.

2.1. Разнесенная передача.

Неадаптивная и адаптивная разнесенные передачи. Виды неадаптивной разнесенной передачи - фазовая, временная, ортогональная и пространственно-временная (схема Аламоути). Адаптивная разнесенная передача. Сравнительная эффективность (вероятность ошибки) методов неадаптивной и адаптивной разнесенных передач. Понятие о пространственном разделении пользователей.

2.2. Спектральная эффективность MIMO-систем связи.

Основные свойства канальной матрицы коэффициентов передачи. Спектральная эффективность MIMO-системы без обратной связи. Спектральная эффективность MIMO-системы с обратной связью. Спектральная эффективность MIMO-системы при различных корреляционных свойствах замираний сигналов.

2.3. Передача и прием сигналов в MIMO-системах.

Общая схема пространственно-временного кодирования. MIMO-системы без обратной связи (МП-приемник, ZF-приемник, МСКО-приемник). Формирование независимых собственных подканалов в MIMO-системе с обратной связью. Ортогональное пространственно-временное блочное кодирование.

6. Лабораторный практикум.

Не предусмотрен

7. Учебно-методическое обеспечение дисциплины

7.1. Рекомендуемая литература.

а) основная литература:

1. Прокис Д. Цифровая связь. Пер. с англ. – М: Радио и связь, 2000. 800с.

2. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Пер. с англ. – М:, Вильямс, 2003. 1104 с.

3. Ермолаев В.Т., Флаксман А.Г. Теоретические основы обработки сигналов в беспроводных системах связи. Монография. – Нижний Новгород: ННГУ, 2011. – 368 с.

8. Вопросы для контроля

1. 
   Принципы построения сотовых систем связи. Гексагональная структура сети. Повторное использование частот.
   
2. 
   Процедура передачи пользователя от одной базовой станции к другой («мягкий» и «жесткий» handoff control).
   
3. 
   Спектр дискретного сигнала. Частота Найквиста. Эффект наложения спектра при дискретизации.
   
4. 
   Восстановление сигнала по его временным выборкам. Теорема Котельникова.
   
5. 
   Кодирование дискретных источников. Информационная емкость (энтропия) источника сообщений. Кодовые слова фиксированной и переменной длины. Алгоритм кодирования Хаффмена.
   
6. 
   Квантование амплитуды аналоговых сигналов. Равномерная и неравномерная импульсно-кодовая модуляция. Логарифмический компрессор.
   
7. 
   Модели каналов без памяти (двоичный симметричный канал, дискретный канал, канал с дискретным входом и непрерывным выходом). Спектральная эффективность этих каналов.
   
8. 
   Спектральная эффективность частотно ограниченного канала с аддитивным шумом и дискретным временем. Теорема Шеннона о кодировании в канале с шумами. Некоторые предельные переходы для спектральной эффективности.
   
9. 
   Критерий максимума апостериорной вероятности и критерий максимального правдоподобия при детектировании сигналов. Оптимальный детектор для модуляции без памяти.
   
10. 
    Вероятность битовой и символьной ошибки в гауссовом шумовом канале для сигналов фазовой и квадратурной амплитудной модуляций.
    
11. 
    Вероятность битовой и символьной ошибки в релеевском канале для сигналов фазовой и квадратурной амплитудной модуляций.
    
12. 
    Физический смысл канального кодирования. Сверточный кодер. Решетчатая диаграмма сверточного кодера.
    
13. 
    Алгоритм сверточного декодирования Витерби. Свойства сверточных кодов (минимальный просвет, способность к исправлению ошибок, эффективность кодирования). Понятие о перемежителе (интерливере).
    
14. 
    Сравнение производительности систем связи с временным и частотным разделением пользователей.
    
15. 
    Кодовое разделение пользователей в широкополосных системах с прямым расширением спектра.
    
16. 
    Формирование OFDM-сигнала.
    
17. 
    Прием OFDM-сигнала. Пропускная способность OFDM-системы.
    
18. 
    Обработка сигналов при фазовой и ортогональной разнесенных передачах.
    
19. 
    Обработка сигналов при пространственно-временной (схема Аламоути) разнесенной передаче.
    
20. 
    Адаптивная разнесенная передача.
    
21. 
    Сравнение цифровых методов модуляции. Понятие коэффициента использования полосы. Два основных класса цифровых систем связи - системы с передачей ортогональных или неортогональных сигналов.
    
22. 
    Вероятность символьной и битовой ошибки для M-позиционных сигналов фазовой и частотной модуляций.
    
23. 
    Пространственное разделение пользователей.
    

9. Критерии оценок

Превосходно	Превосходная подготовка с очень незначительными погрешностями
Отлично	Подготовка, уровень которой существенно выше среднего с некоторыми ошибками
Очень хорошо	В целом хорошая подготовка с рядом заметных ошибок
Хорошо	Хорошая подготовка, но со значительными ошибками
Удовлетворительно	Подготовка, удовлетворяющая минимальным требованиям
Неудовлетворительно	Необходима дополнительная подготовка для успешного прохождения испытаний
Плохо	Подготовка совершенно недостаточная

10. Примерная тематика курсовых работ и критерии их оценки

Курсовые работы не предусмотрены.

Программа составлена в соответствии с Государственным образовательным стандартом по направлению 011800 «Радиофизика».

Авторы программы ____________ Ермолаев В.Т.

____________ Флаксман А.Г.

Программа рассмотрена на заседании кафедры 28 марта 2011 года протокол № 15

Заведующий кафедрой ___________________ Мальцев А.А.

Программа одобрена методической комиссией факультета 11 апреля 2011 года

протокол № 05/10

Председатель методической комиссии_________________ Мануилов В.Н.