Spis treści. Część I. Podstawy Podziękowania... 16

Transkrypt

1 Podziękowania Cyfrowe przetwarzanie sygnałów? Jakie to proste! Tomasz P. Zieliński Motywacja O czym jest ta książka? Podstawowe pojęcia Struktura książki Część I. Podstawy Podstawy analizy częstotliwościowej i próbkowanie sygnałów Przemysław Korohoda, Krzysztof Duda 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 zależności 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 Sygnały losowe i szumy Przemysław Korohoda, Adam Borowicz, Krzysztof Duda Wybrane pojęcia statystyczne w przetwarzaniu sygnałów Widmowa gęstość mocy

2 6 Spis treści 3.3. Szumy Rodzaje szumu Generowanie oraz wybielanie szumów kolorowych Sygnał sinusoidalny zakłócony szumem addytywnym Podsumowanie Zadania Literatura Projektowanie filtrów Krzysztof Duda, Przemysław Korohoda 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 DodatekD Literatura Szybkie metody obliczania DFT i ich zastosowania Krzysztof Duda, Tomasz P. Zieliński 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 Szybkie obliczanie DTFT Zadania Literatura Zespoły filtrów i transformacje ortogonalne Marek Parfieniuk 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

3 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 perfekcyjnąrekonstrukcję Polifazowa reprezentacja systemów i sygnałów Polifazowa dekompozycja transmitancji Tożsamości kaskadowe Polifazowa realizacja decymacji i interpolacji Dekompozycja polifazowa sygnału a wydzielanie bloków próbek Polifazowa reprezentacja zespołu filtrów Równoważność 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 Przykłady wykorzystania faktoryzacji macierzy w projektowaniu systemów Wykorzystanie struktury kratowej do projektowania dwukanałowego zespołu filtrów ortogonalnych Projektowanie zespołu filtrów z modulacją kosinusową zapewniającego perfekcyjnąrekonstrukcję 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 Tomasz P. Zieliński Wprowadzenie Klasyczny filtr adaptacyjny i jego zastosowania Zasada i kryteria adaptacji Optymalny filtr LMS filtr Wienera Optymalne wagi filtra Zbieżność filtra

4 8 Spis treści 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 Tomasz P. Zieliński Wprowadzenie Filtry kratowe Filtry kratowe typu FIR Filtry kratowe typu IIR Kratowy filtr Wienera typu FIR Adaptacyjny gradientowy kratowy filtr Wienera typu FIR LMS Adaptacyjny kratowy filtr Wienera typu RLS Filtry adaptacyjne wykorzystujące FFT Podpasmowe filtry adaptacyjne Zadania Literatura Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe Roman Rumian, Wojciech Półchłopek 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 A/C Typy przetworników A/C Zestawienie parametrów przetworników A/C 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-Δ Nadpróbkowanie Dither Przetworniki wielokanałowe Zadania Literatura Sterowanie dynamiką sygnału Roman Rumian, Wojciech Półchłopek Wprowadzenie

5 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 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 Wojciech Półchłopek, Roman Rumian, Paweł Turcza Wprowadzenie Arytmetyka zmiennoprzecinkowa Arytmetyka całkowitoliczbowa Arytmetyka stałoprzecinkowa Mnożenie 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 Wrażliwość 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 Zależność SNR od częstotliwości kaskadowanych sekcji drugiego rzędu Metody implementacji filtrów o niskim f g / f 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 Freescale DSP

6 10 Spis treści 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 Część II. Multimedia Kodowanie sygnału mowy Przemysław Dymarski Wprowadzenie Sygnał mowy i jego właściwości Kwantyzacja skalarna Kwantyzacja wektorowa Zasada działania kwantyzatora wektorowego Dekompozycja słownika kwantyzatora wektorowego Kodowanie różnicowe 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 Dodatek D12 proste programy symulacyjne Estymacja i redukcja zakłóceń w sygnale mowy Adam Borowicz Mowa zakłócona szumem addytywnym Metody estymacji szumu Detektory mowy Metoda minimum statystyki Nieliniowy estymator widma szumu Metoda MCRA Jednokanałowe metody redukcji szumu Metoda różnic widmowych i filtr Wienera Estymatory STSA i Log-STSA Metody podprzestrzeni sygnału Metody motywowane percepcyjnie Zaawansowane metody redukcji szumu Zadania Literatura

7 Automatyczne rozpoznawanie mowy 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 Sztuczne sieci neuronowe w ASR Narzędzia do rozpoznawania mowy HTK Kaldi Podsumowanie i wybrany przykład rozpoznawania Zadania Literatura Kompresja sygnałów fonicznych 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 MPEG Audio MPEG Audio warstwy 1 i

8 12 Spis treści MPEG Audio warstwa 3 (MP3) Kodowanie dźwięku przestrzennego w MPEG-1 i MPEG-2 (warstwy 1, 2, 3) Zaawansowane kodowanie dźwięku (AAC) w technikach MPEG-2 Audio impeg-4audio MPEG-4 HE-AAC i HE-AACv2, czyli algorytmy zaawansowanego kodowania dźwiękuodużejefektywności MPEG Surround kompresja dźwięku dookólnego Jednolite kodowanie mowy i muzyki MPEG-D USAC Porównanie technik MPEG Audio Literatura Ocena jakości sygnałów fonicznych 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 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 Daniel Król Wprowadzenie Liniowe macierze mikrofonowe Charakterystyka kierunkowa Aliasing przestrzenny Macierze kombinowane Sterowanie wiązką Algorytm Delay-Sum Algorytm Filter-Sum