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

  1. 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).
  2. 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.
  3. 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)
  4. 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
  5. 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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).
  4. 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.
  5. 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        

TEM                 transverzální elektrická/magnetická vlna na vedení
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)

 

 

 

 

Za obsah odpovídá: RNDr. Patrik Mottl, Ph.D.