Spis treści. Podziękowania 16

Transkrypt

1 Cyfrowe przetwarzanie sygnałów w telekomunikacji : podstawy, multimedia, transmisja / red. nauk. Tomasz P. Zieliński oraz Przemysław Korohoda, Roman Rumian ; aut. Maciej Bartkowiak [et al.]. Warszawa, 2014 Spis treści Podziękowania Cyfrowe przetwarzanie sygnałów? Jakie to proste! 17 Tomasz P. Zieliński 1.1. Motywacja O czym jest ta ksiąŝka? Podstawowe pojęcia Struktura ksiąŝki 26 CZĘŚĆ I. Podstawy Podstawy analizy częstotliwościowej i próbkowanie sygnałów 31 Przemysław Korohoda, Krzysztof Duda 2.1. Wprowadzenie Sygnał analogowy w dziedzinie czasu i częstotliwości DTFT - ciągłe widmo sygnału dyskretnego DFT - dyskretne widmo sygnału dyskretnego Szereg Fouriera Wybrane właściwości transformacji Fouriera oraz transformaty wybranych sygnałów Twierdzenie o próbkowaniu Wzajemne zaleŝności pomiędzy widmami DTFT w porównaniu do CFT DFT w porównaniu do DTFT Częstotliwość zmienna w czasie oraz lokalnie liczone DFT Analiza częstotliwościowa z wykorzystaniem DFT Wprowadzenie Sygnały sinusoidalne Właściwości charakterystyki fazowej Liniowa charakterystyka fazowa Opóźnienia fazowe i grupowe Podsumowanie Zadania Literatura 85

2 3. Sygnały losowe i szumy 87 Przemysław Korohoda, Adam Borowicz, Krzysztof Duda 3.1. Wybrane pojęcia statystyczne w przetwarzaniu sygnałów Widmowa gęstość mocy Szumy Rodzaje szumu Generowanie oraz wybielanie szumów kolorowych Sygnał sinusoidalny zakłócony szumem addytywnym Podsumowanie Zadania Literatura Projektowanie filtrów 106 Krzysztof Duda, Przemysław Korohoda 4.1. Wprowadzenie Projektowanie filtrów analogowych Prototypy analogowe Porównanie charakterystyk filtrów analogowych Transformacja częstotliwości - filtry LP, HP, BP. BS Projektowanie filtrów cyfrowych Filtry IIR - transformacja biliniowa Filtry FIR Filtry interpolujące Filtry interpolowane Podsumowanie Zadania 156 Dodatek D Literatura Szybkie metody obliczania DFT i ich zastosowania 160 Krzysztof Duda, Tomasz P. Zieliński 5.1. Wprowadzenie Algorytmy FFT FFT z podziałem w czasie (ang. decimation in time) FFT z podziałem w częstotliwości (ang. decimation in frequency) FFT sygnałów o wartościach rzeczywistych Inne algorytmy FFT Rekursywne obliczanie DFT Algorytm Goertzla Modulowane SDFT Szybki splot sygnałów z wykorzystaniem FFT Splot liniowy Splot liniowy liczony poprzez DFT Sekcjonowany splot liniowy liczony poprzez DFT Szybki algorytm obliczania funkcji korelacji 184

3 5.6. Szybkie obliczanie DTFT Zadania Literatura Zespoły filtrów i transformacje ortogonalne 190 Marek Parfieniuk 6.1. Wprowadzenie Celowość podpasmowej dekompozycji sygnału Przetwarzanie sygnału za pomocą zespołu filtrów Właściwości i kategorie zespołów filtrów Zniekształcenia sygnału w zespole filtrów Zespoły filtrów a środowisko MATLAB Zmiany tempa próbkowania a filtracja sygnałów Decymacja: zmniejszanie tempa próbkowania sygnału Interpolacja - zwiększanie tempa próbkowania sygnału Projektowanie filtrów do decymacji i interpolacji Decymacja i interpolacja w zespołach filtrów Zastosowania decymacji i interpolacji Zespoły filtrów modulowanych Ogólna koncepcja zespołu filtrów modulowanych Zespoły filtrów z zespoloną modulacją określoną DFT Zespoły filtrów z modulacją kosinusową Związek między modulacją kosinusową a zespoloną Projektowanie zespołu filtrów z modulacją kosinusową aproksymującego perfekcyjną rekonstrukcję Polifazowa reprezentacja systemów i sygnałów Polifazowa dekompozycja transmitancji ToŜsamości kaskadowe Polifazowa realizacja decymacji i interpolacji Dekompozycja polifazowa sygnału a wydzielanie bloków próbek Polifazowa reprezentacja zespołu filtrów RównowaŜność zespołów filtrów i transformacji sygnału Transformacje liniowe: blokowe i z nakładaniem Transformacja jako zespół filtrów Interpretacja transformacji DFT, DCT, WHT i MDCT jako zespołów filtrów Obliczanie transformacji w środowisku MATLAB Przykłady wykorzystania faktoryzacji macierzy do efektywnej implementacji systemów Szybkie obliczanie transformacji Hadamarda Zespoły filtrów modulowanych DFT Zespoły filtrów z modulacją kosinusową Obliczanie DCT typu IV za pomocą FFT Implementacja struktury polifazowej zespołu filtrów modulowanych wykorzystująca jeden łańcuch opóźnień 230

4 6.7. Przykłady wykorzystania faktoryzacji macierzy w projektowaniu systemów Wykorzystanie struktury kratowej do projektowania dwukanałowego zespołu filtrów ortogonalnych Projektowanie zespołu filtrów z modulacją kosinusową zapewniającego perfekcyjną rekonstrukcję GenLOT jako przykład transformacji opierającej się na postprocessingu DCT Zespoły filtrów nierównomiernych Czasowa i częstotliwościowa rozdzielczość reprezentacji sygnału Drzewiaste połączenie zespołów filtrów jako transformacja falkowa Inne metody nierównomiernego podziału pasma za pomocą zespołów filtrów równomiernych Bezpośrednie zestawianie filtrów pasmowoprzepustowych Zespoły filtrów spaczonych Zadania Literatura Podstawy filtracji adaptacyjnej 247 Tomasz P. Zieliński 7.1. Wprowadzenie Klasyczny filtr adaptacyjny i jego zastosowania Zasada i kryteria adaptacji Optymalny filtr LMS - filtr Wienera Optymalne wagi filtra ZbieŜność filtra Od filtra LMS do filtra LS Filtr LMS i jego odmiany Filtry (W)LS oraz ich wersje rekursywne Filtry (W)(R)LS jako obserwatory procesów dynamicznych Przykład zastosowania - tłumienie echa Instalacje głośnomówiące Układy transmisji sygnałów Podsumowanie Zadania Literatura Adaptacyjne filtry ortogonalne 287 Tomasz P. Zieliński 8.1. Wprowadzenie Filtry kratowe Filtry kratowe typu FIR Filtry kratowe typu IIR Kratowy filtr Wienera typu FIR Adaptacyjny gradientowy kratowy filtr Wienera typu FIR-LMS 313

5 Adaptacyjny kratowy filtr Wienera typu RLS Filtry adaptacyjne wykorzystujące FFT Podpasmowe filtry adaptacyjne Zadania Literatura Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe 331 Roman Rumian, Wojciech Półchłopek 9.1. Wprowadzenie Schemat blokowy toru cyfrowego przetwarzania sygnału Kondycjonowanie wejściowego sygnału analogowego Filtracja antyaliasingowa Układ próbkująco-pamiętający Przetworniki analogowo-cyfrowe Kwantyzacja sygnału Błąd kwantyzacji, parametry przetworników Metody przetwarzania А/С Typy przetworników А/С Zestawienie parametrów przetworników А/С i obszarów zastosowań Dyskusja opóźnień, szumów, odpowiedzi impulsowych Przetworniki cyfrowo-analogowe Parametry przetworników C/A Metody przetwarzania C/A Kluczowanie źródeł napięciowych i prądowych Przetwarzanie wagowe - pojemnościowe i rezystancyjne Przetwarzanie Σ Nadpróbkowanie Dither Przetworniki wielokanałowe Zadania Literatura Sterowanie dynamiką sygnału 372 Roman Rumian, Wojciech Półchłopek Wprowadzenie Układy sterowania dynamiką Statyczne charakterystyki poziomu i wzmocnienia Dynamika algorytmów kontroli poziomu sygnału Pomiary poziomu sygnału Wygładzanie wzmocnienia Przykłady implementacji Limiter Kompresor, ekspander, bramka szumowa łącznie Układ kombinowany z redukcją częstotliwości próbkowania Przetwarzanie sygnału stereofonicznego lub wielokanałowego 385

6 10.7. Zniekształcenia nieliniowe spowodowane regulacją dynamiki Stałoprzecinkowa realizacja logarytmowania i potęgowania Pasmowa wersja systemu DRC Limiter analogowy AGC - automatyczna regulacja wzmocnienia Zadania Literatura Podstawy arytmetyki stałoprzecinkowej 394 Wojciech Półchłopek, Roman Rumian, Paweł Turcza Wprowadzenie Arytmetyka zmiennoprzecinkowa Arytmetyka całkowitoliczbowa Arytmetyka stałoprzecinkowa MnoŜenie i operacja MAC Arytmetyka stałoprzecinkowa Q1.m Statusy arytmetyczne Podwójna i wielokrotna precyzja obliczeń stałoprzecinkowych Zaokrąglenia wyników - kontrolowana utrata precyzji Nasycenie - kontrolowane przepełnienie Implementacja filtrów FIR Akumulacja długich serii Implementacja filtrów IIR WraŜliwość filtrów IIR na kwantyzacje współczynników Problem cykli granicznych Oscylacje przepełnienia Sekcje drugiego rzędu IIR - efekty kwantyzacji współczynników Tryb skalujący Implementacja sekcji drugiego rzędu IIR w wersji DF-I Implementacja sekcji drugiego rzędu IIR w wersji DF-II Transponowane sekcje drugiego rzędu Implementacje IIR typu kratowego Kaskadowanie sekcji drugiego rzędu i wpływ na SNR ZaleŜność SNR od częstotliwości kaskadowanych sekcji drugiego rzędu Metody implementacji filtrów o niskim ƒ g /ƒ pr Metoda zwiększonej precyzji obliczeń Metoda przeniesienia sygnału i filtracji w inny zakres częstotliwości (modulacja - demodulacja kwadraturowa) Metoda zmiany częstotliwości próbkowania (filtracja multirate) Implementacja FFT Implementacja FFT w wersji BFP Implementacja funkcji matematycznych sinus, logarytm, funkcja wykładnicza Przykłady stałoprzecinkowych procesorów sygnałowych 423

7 Freescale DSP Analog Devices Blackfin Analog Devices SHARC Texas Instruments C55xx Texas Instruments C64xx Texas Instruments C67xx Stałoprzecinkowa filtracja sygnałów z wykorzystaniem układów FPGA Arytmetyka rozproszona Realizacja sprzętowa filtru FIR Realizacja sprzętowa filtru Hilberta Literatura 429 CZĘŚĆ II. Multimedia Kodowanie sygnału mowy 433 Przemysław Dymarski Wprowadzenie Sygnał mowy i jego właściwości Kwantyzacja skalarna Kwantyzacja wektorowa Zasada działania kwantyzatora wektorowego Dekompozycja słownika kwantyzatora wektorowego Kodowanie róŝnicowe Zasada działania kodera ADPCM Zastosowanie liniowej predykcji w ADPCM Interpretacja predykcji w dziedzinie częstotliwości Koder ADPCM G Kodery predykcyjno-wektorowe (CELP) Zasada działania kodera CELP Kodery ACELP Kształtowanie widma szumu kwantyzacji Wokoder predykcyjny Porównanie koderów mowy Zadania obliczeniowe Literatura 468 Dodatek D12 - proste programy symulacyjne Estymacja i redukcja zakłóceń w sygnale mowy 472 Adam Borowicz Mowa zakłócona szumem addytywnym Metody estymacji szumu Detektory mowy Metoda minimum statystyki Nieliniowy estymator widma szumu 482

8 Metoda MCRA Jednokanałowe metody redukcji szumu Metoda róŝnic widmowych i filtr Wienera Estymatory STSA i Log-STSA Metody podprzestrzeni sygnału Metody motywowane percepcyjnie Zaawansowane metody redukcji szumu Zadania Literatura Automatyczne rozpoznawanie mowy 502 Ryszard Makowski, Paweł Świętojański, Robert Wielgat Wprowadzenie Czym jest automatyczne rozpoznawanie mowy? Poziomy i warianty automatycznego rozpoznawania mowy Idea systemu rozpoznawania mowy Mowa i sygnał mowy Generowanie sygnału mowy i jego losowy charakter Jednostki lingwistyczne mowy Fonemy mowy polskiej Baza nagrań do uczenia systemu ASR Parametryzacja sygnału mowy Wstępne przetwarzanie Podział sygnału na ramki i okienkowanie Cele parametryzacji sygnału mowy Melowe współczynniki cepstralne (MFCC) Inne metody parametryzacji Wskaźniki głośności Wektor obserwacji Dynamiczne dopasowanie czasowe Model akustyczny Dyskretne procesy Markowa Ukryte modele Markowa Zagadnienia do rozwiązania związane z HMM Estymacja parametrów HMM Rozwiązanie problemu oceny i detekcji Rozpoznawanie oparte na dopasowaniu modelu Modelowanie kontekstu Model języka Dekoder Ulepszenia systemów HMM-GMM Trenowanie dyskryminacyjne Techniki adaptacji i kompensacji w ASR Aktualne kierunki badań Podprzestrzenne GMM 557

9 Sztuczne sieci neuronowe w ASR Narzędzia do rozpoznawania mowy HTK Kaldi Podsumowanie i wybrany przykład rozpoznawania Zadania Literatura Kompresja sygnałów fonicznych 571 Maciej Bartkowiak Dźwięk a sygnał foniczny Percepcja dźwięku przez człowieka Wprowadzenie do zagadnienia kompresji Kodowanie widmowe Kodowanie podpasmowe Kodowanie transformatowe Kodowanie psychoakustyczne Rodzina technik kompresji MPEGAudio MPEG Audio warstwy 1 i MPEG - Audio warstwa З (МРЗ) Kodowanie dźwięku przestrzennego w MPEG-1 i MPEG-2 (warstwy 1, 2, 3) Zaawansowane kodowanie dźwięku (AAC) w technikach MPEG-2 Audio i MPEG-4 Audio MPEG-4 HE-AAC i HE-AACv2, czyli algorytmy zaawansowanego kodowania dźwięku o duŝej efektywności MPEG Surround - kompresja dźwięku dookólnego Jednolite kodowanie mowy i muzyki - MPEG-D USAC Porównanie technik MPEG Audio Literatura Ocena jakości sygnałów fonicznych 625 Jakub Rachwalski, Maciej Bartkowiak Wprowadzenie Miary jakości dźwięku Metody subiektywne Metody obiektywne Metody sygnałowe Metody parametryczne ABC - metoda oceny subiektywnej BS Metoda subiektywnej oceny jakości MUSHRA PEAQ - algorytm obiektywnej oceny jakości fonii Obliczenia modelu psychoakustycznego B Obliczenia modelu psychoakustycznego A Adaptacja wzorów pobudzeń 643

10 Miara modulacji i głośności Wyznaczanie zmiennych modelu Obliczenie estymowanej jakości dźwięku Weryfikacja PESQ - algorytm obiektywnej oceny jakości mowy Kalibracja głośności Filtrowanie IRS Dopasowywanie czasowe sygnałów Reprezentacja w dziedzinie częstotliwości Obliczanie gęstości widmowej mocy w skali barkowej Obliczanie gęstości głośności Obliczanie gęstości zaburzeń Modelowanie efektu asymetrii Sumowanie zaburzeń w dziedzinie częstotliwości Ponowne dopasowanie sygnałów Sumowanie zaburzeń w czasie i obliczanie końcowego wyniku Parametryczny E-model ITU-T Literatura Macierze mikrofonowe i głośnikowe 665 Daniel Król Wprowadzenie Liniowe macierze mikrofonowe Charakterystyka kierunkowa Aliasing przestrzenny Macierze kombinowane Sterowanie wiązką Algorytm Delay-Sum Algorytm Filter-Sum Lokalizacja źródła dźwięku Lokalizacja pojedynczego źródła dźwięku Lokalizacja kilku źródeł dźwięku Śledzenie źródła dźwięku Przykłady zastosowań macierzy mikrofonowych Poprawa SNR Separacja źródeł dźwięku Podstawy adaptacyjnego kształtowania wiązki Algorytm Frosta Uogólniona metoda tłumienia listków bocznych Macierze głośnikowe Literatura Kompresja obrazów 696 Marek Domański Reprezentacje obrazów w systemach cyfrowych 696

11 18.2. Wprowadzenie do kompresji obrazów Normalizacja w zakresie kompresji Ogólny schemat technik kompresji Kompresja bezstratna obrazów nieruchomych Kompresja stratna pojedynczych obrazów Podstawowe pomysły wykorzystywane w kompresji międzyobrazowej obrazów ruchomych Estymacja ruchu Makroblok i jednostka kodowania Predykcja międzyobrazowa z kompensacją ruchu Obrazy typu B Generacje technik kompresji wizji Kompresja obrazu w technice AVC Podsumowanie Literatura Obiektywne pomiary jakości sekwencji wizyjnych 740 Michał Grega, Lucjan Janowski, Mikołaj Leszczuk, Zdzisław Papir Quality of Experience i jakość sekwencji wizyjnych Subiektywne metody pomiaru jakości sekwencji wizyjnych Obiektywne metody pomiaru jakości sekwencji wizyjnych Podstawowe metryki jakości Metryka PSNR Metryki oparte na analizie pakietów Zaawansowana metryka VQM Inne znane standardy metryk Perspektywy pomiarów jakości usług Zadania Literatura 764 CZĘŚĆ III. Transmisja Zaawansowane algorytmy analizy częstotliwościowej sygnałów 769 Tomasz P. Zieliński Wprowadzenie Znaczenie analizy częstotliwościowej Model analizowanego sygnału Dekompozycja EVD i SVD macierzy Metoda składowych głównych PCA Demodulacja sygnału filtrem Hilberta Estymacja widmowa metodą liniowej predykcji Sygnał jednoskładnikowy Sygnał wieloskładnikowy Estymacja liczby składowych sinusoidalnych sygnału Interpretacja korelacyjna równań predykcji 786

12 Metody zaawansowane - dalsza walka z szumem Estymacja widmowa metodą podprzestrzeni Metoda ESPRIT Porównanie metod Podsumowanie Zadania Literatura 802 Dodatek D20. Estymacja amplitudy i fazy Kodowanie korekcyjne błędów 805 Andrzej R. Pach, Piotr Chołda Wprowadzenie Kody wykrywające i korygujące błędy Kody liniowe Kody wielomianowe Kody wielomianowe - wstęp Kody cykliczne Kody splotowe Konkatenacja kodów Konkatenacja szeregowa Konkatenacja równoległa Podsumowanie Zadania Literatura Podstawy transmisji radiowej 834 Wiesław Ludwin, Jacek Wszołek, Tomasz Zieliński System łączności radiowej Urządzenia częstotliwości pośredniej Szumy w systemie łączności radiowej Podstawy Szum termiczny - szum własny odbiornika Temperatura szumowa anteny Wybrane modele matematyczne torów radiowych Analiza systemów łączności opartych na wybranych modelach matematycznych kanałów radiowych System łączności oparty na modelu kanału AWGN Uproszczony model transmisji radiowej przez kanał AWGN w paśmie podstawowym Model matematyczny systemu radiowego pasma podstawowego wykorzystujący kanał FNFC z zanikiem płaskim Model matematyczny systemu radiowego pasma podstawowego wykorzystujący kanał FSFC z zanikiem selektywnym Programy w środowisku MATLAB - koło ratunkowe Zadania 889

13 22.8. Literatura Podstawy szerokopasmowej transmisji przewodowej 891 Jarosław Bułat Wprowadzenie Transmisja OFDM/DMT ADSL - przykładowy modem Matematyczny model transmisji Symulacyjny model transmisji Wybrane elementy modemu oraz zjawiska występujące w szerokopasmowej transmisji przewodowej Przykładowe charakterystyki kanału Estymacja kanału komunikacyjnego Interferencje międzysymbolowe ISI Korektor czasowy TEQ Interferencje międzykanałowe ICI Przesłuchy Zakłócenia addytywne AWGN NBI Porównanie róŝnych implementacji szerokopasmowej transmisji przewodowej Literatura Przetwarzanie sygnałów w systemach MIMO 931 Paweł Turcza Wprowadzenie Model transmisji w systemie MIMO Przepustowość kanału MIMO Architektura BLAST Algorytmy odbiorcze Algorytm ML Algorytm ZF Algorytm MMSE Algorytm MRC Algorytmy iteracyjne Kodowanie przestrzenno-czasowe Zadanie Literatura Telefonia cyfrowa LTE 4G 966 Jarosław Bułat Wprowadzenie Podstawowe cechy LTE Transmisja do abonenta 967

14 Transmisja od abonenta Ramka transmisyjna Antena Pasmo transmisyjne Zakłócenia Przyszłość standardu LTE LTE dla słuŝb bezpieczeństwa publicznego i ratownictwa Wybrane symulatory LTE Literatura 977 Zakończenie 978 oprac. BPK