Detail předmětu

Theory of Communications

FEKT-MPA-TOCAk. rok: 2022/2023

Předmět se zabývá základními principy, metodami a vlastnostmi 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 počítačových cvičeních na modelech sestavených v prostředí MATLAB-SIMULINK. Studenti si také osvojí anglickou terminologii a získají novou slovní zásobu z této oblasti.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

4

Garant předmětu

Nabízen zahraničním studentům

Všech fakult

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu je schopen v anglickém jazyce:
- popsat principy a vlastnosti nejpoužívanějších linkových kódů,
- vyjmenovat jednotlivé bloky digitálního komunikačního systému (sdělovací soustavy) a vysvětlit jejich funkce,
- vypočítat modulační a přenosovou rychlost, určit minimální potřebnou šířku pásma pro přenos sdělovacího signálu,
- vysvětlit model kanálu s aditivním bílým Gaussovým šumem, vypočítat bitovou chybovost a pravděpodobnost chybného příjmu binárního signálu, v případě rušení aditivním bílým Gaussovým šumem,
- popsat principy, definovat základní parametry a vyjmenovat vlastnosti základních i moderních modulačních metod,
- popsat základní typy intenzitních modulací používaných v optoelektronice,
- vysvětlit rozdíl mezi rovnoměrným a nerovnoměrným kvantováním, vypočítat výkon kvantizačního šumu, potřebný počet bitů A/D převodníku, nakreslit převodní charakteristiky kompresoru a expandoru,
- popsat principy a vyjmenovat základní vlastnosti impulzových modulací,
- 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,
- vysvětlit princip a důležitost taktové synchronizace ve sdělovacích systémech, vysvětlit účel skramblování,
- popsat princip zpětného a dopředného zabezpečení přenosu proti chybám, vysvětlit princip a účel prokládání dat,
- popsat obecný princip ekvalizace přenosové funkce kanálu a vysvětlit funkci adaptivních ekvalizérů,
- vysvětlit principy základních metod multiplexování signálů a mnohonásobného přístupu ke společnému přenosovému médiu, popsat dva základní principy systémů s rozprostřeným spektrem,
- popsat ortogonální kmitočtový multiplex, definovat jeho základní parametry a vyjmenovat jeho charakteristické vlastnosti a příklady použití v praxi,
- 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 mít znalosti anglického jazyka odpovídající minimálně středně pokročilé úrovni (B1 – intermediate). Dále 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 počítat s logaritmy, řešit lineární rovnice, pracovat s goniometrickými funkcemi a mět používat software MATLAB. Obecně jsou požadovány znalosti z matematiky a fyziky na úrovni bakalářského studia.

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a počítačová cvičení na nichž je teorie z přednášek vysvětlena s pomocí simulačních modelů v programu MATLAB-SIMULINK. Pro závěrečné testování znalostí je využíván výukový systém (Moodle).

Způsob a kritéria hodnocení

Student může získat dohromady až 100 bodů. (Až 10 bodů za vypracování úkolů z počítačových cvičení, až 90 bodů ze závěrečného počítačového testu v eLearningu.)
Zápočet je udělen těm studentům, kteří osobně absolvují všechna počítačová cvičení a v předepsaných termínech odevzdají prostřednictvím eLearningu vypracování zadaných úkolů z těchto cvičení.
Osobní účast na všech počítačových cvičeních je povinná stejně jako vypracování zadaných úkolů z těchto cvičení.

Osnovy výuky

Přednášky:
1. Signály ve sdělovacích systémech. Základní typy binárních signálů. Modulační a přenosová rychlost.
2. Linkové kódy. Minimální potřebná šířka pásma přenosového kanálu. Obecné schéma digitálního sdělovacího systému.
3. Působení šumu ve sdělovacích systémech. Model kanálu s aditivním, bílým, Gaussovým šumem. Pravděpodobnost chybného příjmu. Přizpůsobený filtr. Korelační přijímač.
4. Amplitudová, kmitočtová a fázová modulace.
5. Amplitudové, kmitočtové a fázové klíčování.
6. Základní vlastnosti a parametry modulačních systémů, klíčování QPSK, 8PSK, O-QPSK, MSK, FFSK, GMSK.
7. Klíčování pi/4-DQPSK, 8PSK, MQAM, CAP.
8. Působení šumu v přeloženém pásmu. Modulace v optoelektronice.
9. Základní impulzové modulace. Číslicové vyjádření analogového signálu. Kvantování.
10. Potlačení mezisymbolových interferencí. Synchronizace. Skramblování.
11. Způsoby protichybového zabezpečení. Prokládání. Ekvalizace přenosové charakteristiky kanálu.
12. Multiplexování a mnohonásobný přístup. Systémy s rozprostřeným spektrem. Ortogonální kmitočtový multiplex.
13. Základní pojmy z teorie informace. Kapacita přenosového kanálu. Mřížkově kódovaná modulace (TCM).

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 prostřednictvím odborných přednášek v anglickém jazyce naučit studenty základní principy, na nichž jsou založeny moderní komunikační technologie a zároveň je obeznámit s anglickou terminologií, slovní zásobou a specifiky anglických odborných textů z této oblasti.

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

Povinné je absolvování všech počítačových cvičení a závěrečného počítačového testu. Rovněž musí být odevzdáno řešení všech zadaných úkolů z počítačových cvičení a to na konci každého cvičení.

Základní literatura

PROAKIS, J. G. Digital Communications. 4th ed., New York (USA) : McGraw-Hill, 2001. 1002 p. ISBN 0-07-232111-3 (EN)
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)

Doporučená literatura

SKLAR, B. Digital Communications. 2nd ed. Upper Saddle River (USA) : Prentice Hall, 2003. 1080 p. ISBN 0-13-084788-7 (EN)
XIONG, F. Digital Modulation Techniques. 1st ed. Norwood (USA) : Artech House, 2000. 653 p. ISBN 0-89006-970-0 (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)
GITLIN, R. D.; HAYES, J. F.; WEINSTEIN, S. B. Data Communications Principles. New York (USA) : Plenum Press, 1992. 733 p. ISBN 0-306-43777-5 (EN)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPC-MEL magisterský navazující, libovolný ročník, letní semestr, volitelný
  • Program MPC-TIT magisterský navazující, libovolný ročník, letní semestr, volitelný
  • Program MPA-CAN magisterský navazující, 1. ročník, letní semestr, povinný
  • Program MPAD-CAN magisterský navazující, 1. ročník, letní semestr, povinný
  • Program MPA-TEC magisterský navazující, 1. ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program MPAJ-TEC magisterský navazující, 1. ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Osnova

1. Úvod do teorie signálů.
2. Linkové kódy.
3. Působení šumu při přenosu v základním pásmu.
4. Modulace s harmonickou nosnou vlnou (AM, FM, PM).
5. Základní klíčovací techniky (ASK, FSK, PSK).
6. Pokročilé klíčovací techniky - část I (QPSK, O-QPSK, MSK, FFSK, GMSK).
7. Pokročilé klíčovací techniky - část II (pi/4-DQPSK, 8PSK, MQAM, CAP).
8. Mezisymbolové přeslechy a ekvalizace přenosového kanálu.
9. Impulzové modulace - část I (PAM, PWM, PPM).
10. Impulzové modulace - část II (PCM, DPCM, DM, ADM, SDM).
11. Multiplexy a mnohonásobné přístupy.
12. Působení šumu při přenosu v přeloženém pásmu a modulace v optoelektronice.
13. Úvod do teorie informace a kódování.

Cvičení na počítači

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor

Osnova

1. Přenosový kanál 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.