osnovi algoritama i struktura dsp 1...analogna obrada signala • većina signala je po prirodi...
TRANSCRIPT
2020Odsek za računarsku tehniku i računarske komunikacije
Osnovi algoritama istruktura DSP 1
Uvod, signali i sistemiSignali i sistemi
Modeliranje i podela sistemaPrincip digitalne obrade signala
Analogni sistemi
• Uvod u signale i sisteme
• Podele signala
• Osnovni parametri signala
• Elementarni signali i operacije
2
3
Uvod u signale i sistemeSignal: Abstraktni (električni ili matematički) model za praćenje fizičke pojave
Primeri: Zvuk, slika, tekst, temperatura, pritisak, sila
Sistem: Skup uređaja za prenos i obradu signala
Primeri: Telefon, televizija, kamera, kasa, mašina za veš
Izvorgovornik
scena
rezervoar
Korisnikslušalac
gledalac
kontrola
Pretvaračmikrofon
video senzor
termostat
fizička
veličin
a
Sistemprenos
(kabel, radio)
obrada
signal signal
Pretvaračzvučnik
ekran
displejfi
zičk
a
vel
ičin
a
4
Multimedijalni signali:
Govor i muzika (audio) : mono
stereo
Dolby
Slika i film (video): slika
video
3D objekt
4D sekvenca
)(ts
)(),( tRtL
)(),(),(),(),(),( tStRtLtCtRtL bbff
),(),,(),,( yxByxGyxR
),,(),,,(),,,( tyxBtyxGtyxR
),,(),,,(),,,( zyxBzyxGzyxR
),,,(),,,,(),,,,( tzyxBtzyxGtzyxR
R
G
B
L
R
5
Podele signala:
Kontinualni (analogni) Diskretni (Digitalni)
Jednodimenzionalni Višedimenzionalni
Deterministički Slučajni
Periodični
Aperiodični
Simetrični:
Definicija signala: raspored informacije u vremenu ili prostoru
)(ts ,...,,..., 210 sss
),( yxs)(ts
)2cos( fte t Sts )(Pr
)()( tsTts
)()( tsTts
T
)()()()()(2
1)()()(
2
1)(
)()(:)()(:
tststststststststs
tstsneparnitstsparni
oeoe
6
Osnovni parametri signala:
Opseg:
Srednja vrednost:
Energija:
Snaga:
Efektivna vrednost:
amplitudaAAtsAStsS )()( maxmin
signalnaperiodičzaEdttsE
)(2
signalnaaperiodičzaPdttsT
P
T
TT
0)(2
1 2
lim
PAeff
T+A
Aeff
signalnaaperiodičzaSdttsT
S avr
T
TTavr 0)(
2
1lim
7
Logaritamske mere (dB – decibel)
Amplitudni nivo signala:
Nivo energije ili snage:
Pojačanje amplitude:
Pojačanje energije ili snage:
signalreferentniss
sS r
r
dB
log20
snagareferentnaspp
pS rr
r
dB
2log10
12
1
2
1
2 log10 SSp
pG
p
pg p
12
1
2
1
2 log20 SSs
sG
s
sgs
8
Logaritamske mere (dB – decibel)
Referentni signali:sr=µV dBµ pr=mW dBm
Pojačanje i slabljenje: dB
bez pojačanja s2/s1=1 0 dB p2/p1=1 0 dB
pojačanje 2 puta s2/s1=2 6 dB p2/p1=4 6 dB
slabljenje 2 puta s2/s1=1/2 -6 dB p2/p1=4 -6 dB
prag 3 dB dBppdBss 32/32/ 1212
9
Elementarni signali:
Dirakov impuls:
Funkcija jediničnog skoka:
Pravougaoni impuls:
Gausov impuls:
1)(,
0
00)( dtt
t
tt
01
00)(
t
ttu
221
220
)(T
tT
Ttili
Tt
tp
2
2
2
2
1)(
t
etg
Sinus i kosinus:
A amplituda
f frekvencija = broj ciklusa u sec (Hz –
Herz) j faza periodična sa 2 360
0 kosinus
-/2 sinus
T = 1/f perioda
)2cos( j tfA
-2 -1 1 2
-1
-0.5
0.5
1
-2 -1 1 2
-1
-0.5
0.5
1
-2 -1 1 2
-1
-0.5
0.5
1
-2 -1 1 2
-1
-0.5
0.5
1
-2 -1 1 2
-1
-0.5
0.5
1
10
Elementarne operacije:
Pojačanje:
Pomeraj u vremenu:
Skaliranje u vremenu:
Signal bez izobličenja:
)(tsG
)( 0tts
)( tks
)( 0ttsA
t
Korelacija dva signala:
Autokorelacija:
)()()()(1
)(:
)()()(:
1212
2/
2/
2112
2112
0
0
tRTtRdtssT
tRperiodican
dtsstRnaperiodica
Tt
Tt
)()(;)0()()(1
)(:
)0()()()(:
2/
2/
0
0
tRTtRPRdtssT
tRperiodican
ERdtsstRnaperiodica
Tt
Tt
• Matematički model sistema
• Podela sistema
11
12
Sistemi za obradu signala: definisani vezom između ulaznih i izlaznih signala
sistem
(1:1)
sistem
(m:n)
ulaz izlaz
x(t) y(t)
ulaz izlaz
x1(t)
xm(t)
y1(t)
yn(t)
Matematički model sistema:signal na ulazu: x(t)
parametri sistema: p(t)
signal na izlazu: y(t)
Kauzalnost:
Stabilnost:
Sistem bez izobličenja:
)(),()( tptxfty
)()( 0ttxGty
00 0)(0)( ttzatyttzatxako
)()( tytx
13
Podela sistema:
kontinualni (analogni) diskretni (digitalni)
vremenski nepromenjivi vremenski promenjivi
sistemi bez memorije sistemi sa memorijom
deterministički stohastički
linearni nelinearni
)(),()( tptxfty ,...,,,,,... 2,1,123 nnnnnnn ppxxxxfy
.)( consttp
)()()( tpitxodsamozavisity
PtpXtxYty )()(/)(Pr
)()()()( tyctytxctx kkkk
nelinearnof .
fokus: linearni, vremenski nepromenjivi, sa i bez memorije sistemi (analogni i digitalni)
K – red sistema
K
k
k
k
K
k
k
k txbtya0
)(
0
)( 0)()(
• Analogna obrada signala
• DSP pristup: sistemi bazirani na računaru
• Princip digitalne obrade signala
14
15
Analogna obrada signala• većina signala je po prirodi analogna (generisana iz analognih senzora)
• pre pojave procesorskih struktura signali su i obrađivani pomoću analognih elektronskih elemenata
- pasivnih (R,L,C, diode, …)
- aktivnih (tranzistori, …)
Prednosti analogne elektronike
• linearni u širokim opsegu amplituda i
frekvencija
• niska potrošnja
• niske smetnje
Nedostaci analogne elektronike
• fiksirana funkcionalnost
• ograničen set mogućih funkcija
• nemogućnost unifikacije
16
DSP pristup: sistemi bazirani na računaru
Fizička pojava
slika, ton, temperatura
Sensor
kamera
mikrofon
merač
Procesor
DSP
Displej
ekran
zvučnici
pokazivači
Korisnik
čovek, mašina
Sprega
Interface
Sprega
Interface
• Pretvaranje fizičke veličine u električnu
• Pretvaranje električne veličine u numeričku
• Algoritmi digitalne obrade
• Implementacija na računaru (DSP)
• Pretvaranje numeričke veličine u električnu
• Pretvaranje električne veličine u fizičku
17
Tipične primene digitalne obrade signala:
• telekomunikacije: modulacija / demodulacija, korekcija kanala
• elektronika: kodiranje video i audio signala u TV i DVD uređajima, analiza i sinteza govora
• muzika: sintetički instrumenti, audio efekti, potiskivanje šuma
• medicina: analiza MR i ultrazvučnih slika, 3D vizuelizacija u kompjuterskoj tomografiji
• geofizika: seizmologija, modeliranje
• astronomija: prepoznavanje oblika
• avijacija: obrada radarskih signala, radio navigacija
• sigurnosni sistemi: biometrijska identifikacija, zaštita informacija, audio-vizuelno nadgledanje
• industrijski sistemi: automatizacija proizvodnje i kontrole kvaliteta
18
Princip digitalne obrade signala
• pretvaranje ulaznih analognih signala u digitalne (odabiranje i kvantizacija)
• unificirana procesorska struktura za obradu
- signalni procesori DSP (Harward arhitektura sa podeljenom memorijom za program i podatke)
- programiranje potrebne obrade (optimizovan set instrukcija)
• pretvaranje rezultata obrade u prirodne (analogne signale)
Signalni procesor (DSP)
sa programskom memorijom
i memorijom za podatkeAD DA
)(tx ,...15,0,68,23,123 ,...0,14,28,20,12 )(ty
specifičnosti:
• amplitudni opseg i rezolucija AD/DA konverzije
• učestanost odabiranja
• aritmetika sa fiksnim zarezom
• obrada signala u realnom vremenu (puna sinhronizacija ulaza i izlaza)
• Kontinualni (analogni) sistemi
• Impulsni odziv sistema
• Konvolucija
• Osobine analognih sistema
19
20
Kontinualni (analogni) sistemi
Impulsni odziv sistema:
Konvolucija:
dtththtzathth )(,)(,00)(:)(
)(*)()()()()( txthtydtxhty
x(t) h(t) y(t)
Primer: odziv sistema sa eksponencijalnom funkcijom na pravougaoni impuls
Tt
Tt
t
tx
0
0
0
1
0
)(
0
00)(
te
tth
t
Tt
Tt
t
ee
ety
TtT
t
0
0
1
11
0
)(
)(
21
Impulsni odziv sistema
Ulaz:
Izlaz:
)()( ttx
)()()()( hdtxhty
h(t)x(t) y(t)
00
0)(
t
tetx
t
00
0)(
t
teth
t
00
01
)(
t
teety
tt
Primer:
Ulaz:
Impulsni odziv sistema:
Izlaz:
22
Osobine konvolucije
Komutativnost:
Asocijativnost:
Distributivnost:
)(*)()(*)()()()()( thtxtxthdthxdtxh
)(*)(*)()(*)(*)( 2121 txththtxthth
)(*)()(*)()(*)()( 2121 txthtxthtxthth
h1(t) h2(t)
h(t)=
h1(t)*h2(t)
h1(t)
h2(t)
+
h(t)=
h1(t)+h2(t)
x(t) y(t)
x(t) y(t) x(t) y(t)
x(t) y(t)
23
Osobine analognih sistema
Kauzalnost:
Stabilnost:
Idealni sistem:
diferencijator:
integrator:
00)( tzath
)()( thconstdtth
)()()(
)()()( lim0
ttt
thtxty
)()()()( TtGthTtxGty
01
00)()(1)()(
0t
tthdtxdxty
t
24
Treba zapamtiti:
• Fizičke pojave (audio, slika, video, podaci) su opisani sa signalima - jednom ili više
kontinualnih funkcija vremena i prostornih koordinata
• Podela signala: signali mogu biti kontinualni i diskretni, deterministički i slučajni, periodični i
aperiodični, jednodimenzionalni i višedimenzionalni, simetrični i asimetrični
• Osnovni parametri signala su opseg, srednja vrednost, snaga ili energija, efektivna vrednost
• Logaritamska mera za signale služi za jedinstveno opisivanje signala (amplituda i energija) preko
jednog nivoa signala u dB
• Sistemi za obradu signala definišu vezu između jednog ili više ulaza sa jednim ili više izlaza
• DSP pristup omogućuje da se jedna fizička pojava obrađuje na računaru tako da se učita preko
senzora, pretvori u digitalni signal, obrađuje na računaru i vrati korisniku preko displeja
• Osnovne osobine sistema su kauzalnost, stabilnost i uslov idealnog sistema (bez izobličenja)
• Linearni, vremenski nezavisni sistemi se opisuju impulsnim odzivom, tako da je njihov izlaz
definisan kao konvolucija ulaznog signala i impulsnog odziva
• Osobine konvolucije su komutitativnost, asocijativnost i distributivnost, tako da se sekvencijalna
kombinacija više sistema može opisati jednim ekvivalentnim sistemom čiji je ekvivalentni
impulsni odziv konvolucija impulsnih odziva svih sistema a paralelna kombinacija više sistema se
može opisati jednim ekvivalentnim sistemom čiji je ekvivalentni impulsni odziv suma impulsnih
odziva svih sistema