Tematické okruhy otázek ke státní doktorské zkoušce
Obor teoretická elektrotechnika prochází v posledních letech významnou změnou. Pokud chce teoretická elektrotechnika zůstat významným oborem na světové úrovni a udržet se s okolní rostoucí konkurencí, musí se stát více mezioborovým a pokrývat významné výzkumné směry s mezinárodním dopadem. Cílem teoretické elektrotechniky je vymezení pojmů, formulování obecných zákonů a principů, z nichž jsou deduktivní cestou logicky a důsledně matematicky vyvozovány nejen známé, ale i nové poznatky. Proto právě absolventi teoretické elektrotechniky mají mít unikátní dovednosti, které mohou přispět k poznání a rozvoji oborů za hranicí elektrotechniky, například k poznání nových principů v biologii a při analýze biomedicínských dat. V této souvislosti se bohužel opakovaně ukazuje, že témata disertačních prací vyžadují nové znalosti a dovednosti, které v původních okruzích nebyly pokryty. Mnohé otázky rovněž nebyly dostatečně specifikovány. Motivací pro aktualizaci a modifikaci stávajících otázek je tedy lepší pokrytí celé šíře oboru včetně mezioborových témat.
TEORETICKÁ ELEKTROTECHNIKA
I. předměty obecného základu
- Analýza analogových elektrických obvodů
- Obvody se soustředěnými a rozprostřenými parametry
- Elementární a obecné metody analýzy obvodů, metoda uzlových napětí a smyčkových proudů, zobecněná metoda uzlových napětí, stavový prostor.
- Harmonický ustálený stav.
- Periodický neharmonický ustálený stav.
- Analýza přechodných jevů, řešení v časové i operátorové oblasti.
- Programy pro analýzu obvodů (PSPICE, MAPLE).
- Teorie signálů a systémů
- Zpracování analogového signálu diskrétním systémem, kvantování, vzorkování a rekonstrukce signálu.
- Lineární časově invariantní systémy - impulsová a přechodová odezva.
- Konvoluce, stabilita, kauzalita, stacionarita.
- Přenosová funkce a frekvenční charakteristika.
- Laplaceova a Fourierova transformace, Z-transformace – vlastnosti a základní obrazy.
- Elektrické a magnetické pole
- Elektrostatické, magnetostatické a stacionární proudové pole.
- Kvazistacionární elektromagnetické pole
- Definice a výpočet elektrické a magnetické energie, definice a výpočet síly v elektrickém a magnetickém poli
- Definice a výpočet kapacity a indukčnosti. Základy numerického řešení elektrických a magnetických polí (FD, FEM, FDTD, MoM)
- Elektromagnetické vlny
- Rovinná vlna v homogenním izotropním lineárním prostředí.
- Poyntingův teorém
- Rovinná vlna na planárním rozhraní dvou prostředí. Odraz, lom, totální odraz, polarizace odrazem.
- Vedená vlna (TEM, TM, TE). Kovové a dielektrické vlnovody, planární vedení.
- Rezonátory
- Vyzařování elektromagnetických vln, elementární zářiče blízké a vzdálené pole
- Číslicové zpracování signálů
- DFT, FFT – vlastnosti a použití.
- Prosakování, váhování, lineární a cyklická konvoluce.
- DCT – vlastnosti a souvislost s DFT.
- FIR a IIR filtry – metody návrhu a vlastnosti.
- Spektrální analýza, neparametrické metody (např. Welchova metoda), frekvenční rozlišení.
- Časově frekvenční analýza, STFT, vlnková transformace, banky filtrů.
- Kepstrální analýza.
- Diskrétní Hilbertova transformace, komplexní obálka a okamžitá frekvence.
- PCA, ICA.
- Parametrické modely, AR, ARMA,MA, Wienerova filtrace, adaptivní filtrace, LMS, RLS.
- Metody klasifikace (k-means, NN, LDA, ANN) a statistická hodnocení dat.
II. předměty specializace
- Syntéza analogových elektrických soustav
- Obecné vlastnosti přenosové funkce: kmitočtové charakteristiky a skupinové zpoždění, chování v časové oblasti.
- Aproximace v kmitočtové rovině: typy filtrů, kmitočtové transformace, aproximace modulové charakteristiky a skupinového zpoždění.
- Realizace analogových filtrů: pasivní a aktivní analogové filtry, moderní funkční bloky pro ASIC.
- Diskrétně pracující analogové soustavy, filtry se spínanými kapacitory a proudy: princip činnosti, obvodová realizace, vlastnosti, možnosti analýzy.
- Numerické metody syntézy a programové prostředky optimalizace analogových soustav.
- Biomedicínské aplikace z číslicových signálů a systémů
- Fyziologické signály (EEG, EMG, EKG, EOG, PPG) – geneze, parametry, snímání a zpracování.
- Elektrody pro snímání bioelektrických signálů, sensory neelektrických veličin, zesilovače biologických signálů, artefakty signálů.
- Diagnostické metody v medicíně (EKG, EEG, EMG, pulsní oxymetrie).
- Zobrazovací metody v lékařství (UZV, RTG, CT, MRI, PET, SPECT).
- Charakteristiky používané v patologii hlasu a řeči.
- Algoritmy a systémy zpracování akustických a řečových signálů
- Vytváření řeči a vnímaní zvuku člověkem (anatomie a fyziologie produkce a percepce řeči, signálový model produkce, percepční modely).
- Časové a spektrální charakteristiky řeči a audio signálů, příklady jejich využití (energie, základní tón, formanty, DFT a LPC spektrum, AR koeficienty, kepstrum, řečové příznaky pro rozpoznávání).
- Statistické modely a metody umělé inteligence v systémech analýzy řeči a jejich aplikace (GMM, HMM, ANN, rozpoznávání řeči, řečníka, jazyka).
- Fonetický, fonologický a lingvistický popis jazyka a jeho význam v systémech zpracování řeči (fonetické sady, statistické jazykové modelování při rozpoznávání řeči, význam prozodie při řečové syntéze).
- Algoritmy detekce a zvýrazňování řeči. Kódování řeči a audio signálů.
- Metody syntézy řeči a akustických signálů (formantová a konkatenační syntéza řeči, tabulková syntéza, číslicové audio efekty).
- Magnetické materiály a jejich charakterizace
- Magnetické materiály, jejich charakterizace, hysterezní smyčka.
- Metody měření magnetických veličin, statické a dynamické magnetování.
- Obvodové modely cívek s feromagnetickými jádry, modelování hystereze.
- Měření vlastností uzavřených vzorků magnetických materiálů při stejnosměrném a střídavém magnetování.
- Měření vlastností otevřených vzorků magnetických materiálů.
- Single sheet testery (SST), On-line testery (OLT).
- Magnetovací, měřicí a řídicí systémy a algoritmy pro SST a OLT.
- Digitální zpracování měřených signálů SST a OLT, hlavní příčiny vzniku chyb měření.
- Elektrodynamika
- Šíření rovinné vlny v anizotropním prostředí.
- Popis elektromagnetického pole úplným systémem vln (rovinných, válcových či kulových).
- Kvazioptická aproximace, Gaussův svazek.
- Elektromagnetické pole v různých inerciálních vztažných soustavách.
Význam zkratek:
PSPICE program pro analýzu a simulaci obvodů
MAPLE program pro symbolické výpočty a analýzu systémů
ASIC integrované zákaznické obvody pro dané aplikace
DFT/FFT diskrétní/rychlá Fourierova transformace
FIR/IIR filtry s konečnou/nekonečnou impulsovou odezvou
STFT krátkodobá Fourierova transformace
PCA/ICA metoda vlastních/nezávislých komponent
AR/MA/ARMA model autoregresní/klouzavých průměrů/smíšený
LMS/RLS adaptivní stochastický algoritmus/rekursivní algoritmus nejmenších čtverců
k-means/NN, klasifikační metody – shluková analýza/ neuronové sítě
ANN/ LDA umělé neuronové sítě/lineární diskriminační analýza
GMM, HMM modelování směsí Gaussových křivek/skryté Markovovy modely
LPC lineární predikční kódování
FD, FEM, FDTD, MoM numerické metody simulace fyzikálních veličin
EEG/EMG/EKG elektroencefalogram/elektromyogram/elektrokardiogram
EOG/ PPG elektrookulogram/fotopletysmogram
UZV, RTG, CT, ultrazvuk/rentgen/počítačová tomografie
MRI/ PET/ SPECTmagnetická rezonance/pozitronová emisní tomografie/jednofotonová emisní tomografie
SST ferometr pro měření páskových a tabulových vzorků
OLT ferometr pro průběžné měření pohybujících se pasů plechů
Po dohodě se školitelem určí předseda oborové rady tři tematické okruhy, z nichž nejméně dva budou z předmětů obecného základu.
Tato úprava vstupuje v platnost dnem schválení vědeckou radou FEL ČVUT
Doporučená literatura (okruh I a II/1-5)
[1] Corne D., Dorigo M., Glover F.: New Ideas in Optimization, McGraw-Hill, UK, 1999 (II/1)
[2] Havlíček, V., Zemánek, I.: Elektrické obvody 2, vyd. 1., Praha: ČVUT, 2008, ISBN: 978-80-01-03971-7 (I/1)
[3] Huang, X., Acero, A., Hon, H. W.: Spoken Language Processing. Prentice Hall, 2001 (II/3)
[4] Irwin, J. D., Nelms, R. M.: Basic engineering circuit analysis, 11th ed., ISBN-13: 978-1118539293 (I/1)
[5] Jackson, J. D.: „Classical Electrodynamics“, 3rd ed., John Wiley & Sons, Inc. New York, 1998, ISBN-13: 978-0471309321 (I/3-4, II/5)
[6] King, M. R., Mody, N. A.: Numerical and Statistical Methods for Bioengineering: Applications in MATLAB (Cambridge Texts in Biomedical Engineering), 1st edition, 2010, ISBN-13: 978-0521871587 (II/2)
[7] Mayer, D.: Aplikovaný elektromagnetizmus, ISBN: 978-80-7232-424-8 (II/4)
[8] McLoughlin, I.: Applied Speech and Audio Processing. Cambridge University Press, 2009 (II/3)
[9] Oppenheim, A. V., Schafer, R. W., Buck, J. R. : Discrete-Time Signal Processing, Prentice Hall, ISBN 978-0137549207 (I/2, 5)
[10] Psutka, J., Müller, L., Matoušek, J., Radová, V.: Mluvíme s počítačem česky. Academia, 2006 (II/3)
[11] Sadiku, M.: Elements of Electromagnetics (Oxford Series in Electrical and Computer Engineering), 6th edition, ISBN-13: 978-0199321384 (I/3-4)
[12] Saltzman, W. M.: Biomedical Engineering: Bridging Medicine and Technology (Cambridge Texts in Biomedical Engineering), 1st edition, 2009, ISBN-13: 978-0521840996 (II/2)
[13] Schaumann R., Ghausi M.S., Laker K. R.: Design of Analog Filters, Passive, Active RC, and Switched Capacitor, Prentice Hall, 1990 (II/1)
[14] Smith, S. W.: The Scientist and Engineer´s Guide to Digital Signal Processing; http://www.dspguide.com/pdfbook.htm, ISBN-13: 978-0966017632 (I/2, 5)
[15] Spaldin, N.: Magnetic Materials: Fundamentals and Device Applications, Cambridge University Press, c 2003, ISBN-13: 978-0521016582 (I/3-4)
[16] Vaseghi, S. V.: Advanced Diigtal Signal Processing and Noise Reduction. John Wiley & Sons, 2008 (I/5)