FFT i dyskretny splot. Aplikacje w DSP

Podobne dokumenty
9. Dyskretna transformata Fouriera algorytm FFT

Właściwości sygnałów i splot. Krzysztof Patan

Teoria przetwarzania A/C i C/A.

CYFROWE PRZTWARZANIE SYGNAŁÓW (Zastosowanie transformacji Fouriera)

Zastowowanie transformacji Fouriera w cyfrowym przetwarzaniu sygnałów

Teoria sygnałów Signal Theory. Elektrotechnika I stopień (I stopień / II stopień) ogólnoakademicki (ogólno akademicki / praktyczny)

Ćwiczenie 3. Właściwości przekształcenia Fouriera

2. Próbkowanie Sygnały okresowe (16). Trygonometryczny szereg Fouriera (17). Częstotliwość Nyquista (20).

Transformaty. Kodowanie transformujace

Transformata Laplace a to przekształcenie całkowe funkcji f(t) opisane następującym wzorem:

CYFROWE PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW

Wstęp do metod numerycznych Dyskretna transformacja Fouriera. P. F. Góra

PL B1. Sposób i układ pomiaru całkowitego współczynnika odkształcenia THD sygnałów elektrycznych w systemach zasilających

Akwizycja i przetwarzanie sygnałów cyfrowych

Analiza szeregów czasowych: 2. Splot. Widmo mocy.

Podstawy akwizycji i cyfrowego przetwarzania sygnałów

GENERACJA PRZEBIEGU SINUSOIDALNEGO.

Andrzej Leśnicki Laboratorium CPS Ćwiczenie 7 1/7 ĆWICZENIE 7. Splot liniowy i kołowy sygnałów

Przetwarzanie analogowo-cyfrowe sygnałów

Przeksztacenie Laplace a. Krzysztof Patan

uzyskany w wyniku próbkowania okresowego przebiegu czasowego x(t) ze stałym czasem próbkowania t takim, że T = t N 1 t

Dyskretne układy liniowe. Funkcja splotu. Równania różnicowe. Transform

LABORATORIUM METROLOGII. Podstawy akwizycji i cyfrowego przetwarzania sygnałów. dr inż. Andrzej Skalski. mgr inż. Mirosław Socha

Akwizycja i przetwarzanie sygnałów cyfrowych

Transformata Fouriera

Ćwiczenie 4. Filtry o skończonej odpowiedzi impulsowej (SOI)

Transformata Fouriera i analiza spektralna

2. Szybka transformata Fouriera

Katedra Elektrotechniki Teoretycznej i Informatyki

Teoria Sygnałów. III rok Informatyki Stosowanej. Wykład 8

Analiza szeregów czasowych: 1. Dyskretna transformata Fouriera i zagadnienia pokrewne

Technika audio część 2

Przekształcenia widmowe Transformata Fouriera. Adam Wojciechowski

Adam Korzeniewski - p. 732 dr inż. Grzegorz Szwoch - p. 732 dr inż.

Sygnał a informacja. Nośnikiem informacji mogą być: liczby, słowa, dźwięki, obrazy, zapachy, prąd itp. czyli różnorakie sygnały.

Przetwarzanie sygnałów

Przetwornik analogowo-cyfrowy

Andrzej Leśnicki Laboratorium CPS Ćwiczenie 6 1/8 ĆWICZENIE 6. Dyskretne przekształcenie Fouriera DFT

Symulacja sygnału czujnika z wyjściem częstotliwościowym w stanach dynamicznych

Podstawy Przetwarzania Sygnałów

Analiza szeregów czasowych: 2. Splot. Widmo mocy.

Przekształcenie Fouriera i splot

DYSKRETNA TRANSFORMACJA FOURIERA

BIBLIOTEKA PROGRAMU R - BIOPS. Narzędzia Informatyczne w Badaniach Naukowych Katarzyna Bernat

O sygnałach cyfrowych

Adaptacyjne Przetwarzanie Sygnałów. Filtracja adaptacyjna w dziedzinie częstotliwości

Transformata Fouriera. Sylwia Kołoda Magdalena Pacek Krzysztof Kolago

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Przetworniki analogowo-cyfrowe

4 Zasoby językowe Korpusy obcojęzyczne Korpusy języka polskiego Słowniki Sposoby gromadzenia danych...

Transformacja Fouriera i biblioteka CUFFT 3.0

Wykład 2. Transformata Fouriera

przedmiot kierunkowy (podstawowy / kierunkowy / inny HES) obieralny (obowiązkowy / nieobowiązkowy) polski semestr VI

Przetwarzanie i transmisja danych multimedialnych. Wykład 8 Transformaty i kodowanie cz. 2. Przemysław Sękalski.

Przedmowa 11 Ważniejsze oznaczenia 14 Spis skrótów i akronimów 15 Wstęp 21 W.1. Obraz naturalny i cyfrowe przetwarzanie obrazów 21 W.2.

Konwersja dźwięku analogowego do postaci cyfrowej

Przedmowa Wykaz oznaczeń Wykaz skrótów 1. Sygnały i ich parametry Pojęcia podstawowe Klasyfikacja sygnałów

Przetwarzanie sygnału cyfrowego (LabVIEW)

3. Przetwarzanie analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe... 43

8. Analiza widmowa metodą szybkiej transformaty Fouriera (FFT)

Przekształcenie Fouriera obrazów FFT

Spis treści. 1. Cyfrowy zapis i synteza dźwięku Schemat blokowy i zadania karty dźwiękowej UTK. Karty dźwiękowe. 1

KARTA MODUŁU KSZTAŁCENIA

Przetworniki analogowo-cyfrowe - budowa i działanie" anie"

Podstawy Automatyki. wykład 1 ( ) mgr inż. Łukasz Dworzak. Politechnika Wrocławska. Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji (I-24)

SPRZĘTOWA REALIZACJA FILTRÓW CYFROWYCH TYPU SOI

Instrukcja do laboratorium z cyfrowego przetwarzania sygnałów. Wybrane właściwości Dyskretnej Transformacji Fouriera

DYSKRETNE PRZEKSZTAŁCENIE FOURIERA C.D.

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Zjawisko aliasingu. Filtr antyaliasingowy. Przecieki widma - okna czasowe.

Systemy. Krzysztof Patan

Przetwarzanie sygnałów biomedycznych

Szybka transformacja Fouriera (FFT Fast Fourier Transform)

Spis treści. Metody nieparametryczne. Transformacja Fouriera

Kompresja dźwięku w standardzie MPEG-1

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Informacja w perspektywie obliczeniowej. Informacje, liczby i obliczenia

PREZENTACJA MODULACJI AM W PROGRAMIE MATHCAD

Algorytmy detekcji częstotliwości podstawowej

Politechnika Wrocławska Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Przetwarzanie sygnałów laboratorium ETD5067L

Cechy karty dzwiękowej

Pomiary i przyrządy cyfrowe

Cyfrowe przetwarzanie i kompresja danych

Podstawowe funkcje przetwornika C/A

Politechnika Wrocławska Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Przetwarzanie sygnałów laboratorium ETD5067L

Kompresja Danych. Streszczenie Studia Dzienne Wykład 13, f(t) = c n e inω0t, T f(t)e inω 0t dt.

EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

Zasada indukcji matematycznej

POLITECHNIKA OPOLSKA

Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii. Ćwiczenie 4. Badanie optycznej transformaty Fouriera

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA

PROCESORY SYGNAŁOWE - LABORATORIUM. Ćwiczenie nr 04

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

Próbkowanie sygnałów (ang. sampling) PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW ANALOGOWYCH NA SYGNAŁY CYFROWE. Literatura. Cyfrowe Przetwarzanie Sygnałów

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

Joint Photographic Experts Group

1. Modulacja analogowa, 2. Modulacja cyfrowa

jako analizatory częstotliwości

Ćwiczenie 6 Projektowanie filtrów cyfrowych o skończonej i nieskończonej odpowiedzi impulsowej

Transkrypt:

i dyskretny splot. Aplikacje w DSP Marcin Jenczmyk m.jenczmyk@knm.katowice.pl Wydział Matematyki, Fizyki i Chemii 10 maja 2014 M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 1 / 17

Transformata Fouriera Transformata Fouriera wyraża się wzorem x(f ) = x(t)e 2πixf dt, M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 2 / 17

Transformata Fouriera Transformata Fouriera wyraża się wzorem x(f ) = x(t)e 2πixf dt, dla której odwrotna transformata wyraża się wzorem: x(t) = 1 x(f )e 2πixf df. 2π M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 2 / 17

Transformata Fouriera Transformata Fouriera wyraża się wzorem x(f ) = x(t)e 2πixf dt, dla której odwrotna transformata wyraża się wzorem: x(t) = 1 x(f )e 2πixf df. 2π Transformata Fouriera pozwala na rozłożenie sygnału ma poszczególne składowe częstotliwościowe sygnału. M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 2 / 17

DFT Dla dyskretnego sygnału określonego w N punktach x i, i = 0,..., N 1 transformata Fouriera przyjmuje postać X k = N 1 kn 2πi x n e N, M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 3 / 17

DFT Dla dyskretnego sygnału określonego w N punktach x i, i = 0,..., N 1 transformata Fouriera przyjmuje postać X k = N 1 a transformata do niej odwrotna x n = 1 N N 1 kn 2πi x n e N, kn 2πi X k e N. M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 3 / 17

DFT Dla dyskretnego sygnału określonego w N punktach x i, i = 0,..., N 1 transformata Fouriera przyjmuje postać X k = N 1 a transformata do niej odwrotna x n = 1 N N 1 kn 2πi x n e N, kn 2πi X k e N. Tak zdyskretyzowana tranformata Fouriera nazywa się DFT (Discrete Fourier Transform). M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 3 / 17

DFT Aby móc wykorzystać DFT w przetwarzaniu sygnałów potrzebny jest algorytm pozwalający na stosunkowo szybkie obliczenie DFT. Algorytm 1 DFT(x,N) (algorytm brutalny) Input: x : tablica zmiennych typu complex o długości N Output: x : tablica zmiennych typu complex o długości N 1: for k = 0 to N 1 do 2: sum 0 3: for n = 0 to N 1 do 4: ω e 2πi kn N 5: sum sum + ωx n 6: end for 7: x k sum 8: end for 9: return x M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 4 / 17

Jednak jego złożoność takiego algorytmu jest rzędu Θ(n 2 ). M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 5 / 17

Jednak jego złożoność takiego algorytmu jest rzędu Θ(n 2 ). Stosunkowo łatwe spostrzeżenie pozwola na zredukowanie tego czasu do Θ(n log n). Wzór na DFT można zapisać jako X k = N 1 kn 2πi x n e N M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 5 / 17

Jednak jego złożoność takiego algorytmu jest rzędu Θ(n 2 ). Stosunkowo łatwe spostrzeżenie pozwola na zredukowanie tego czasu do Θ(n log n). Wzór na DFT można zapisać jako X k = N 1 kn 2πi x n e N N 2 1 = x 2n e 2πi k(2n) N + N 2 1 k(2n+1) 2πi x 2n+1 e N M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 5 / 17

Jednak jego złożoność takiego algorytmu jest rzędu Θ(n 2 ). Stosunkowo łatwe spostrzeżenie pozwola na zredukowanie tego czasu do Θ(n log n). Wzór na DFT można zapisać jako X k = N 1 kn 2πi x n e N N 2 1 N 2 1 = x 2n e kn 2πi N x 2n e 2 +e 2πi k N 2πi k(2n) N + N 2 1 N 2 1 kn 2πi N x 2n+1 e 2 k(2n+1) 2πi x 2n+1 e N M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 5 / 17

Jednak jego złożoność takiego algorytmu jest rzędu Θ(n 2 ). Stosunkowo łatwe spostrzeżenie pozwola na zredukowanie tego czasu do Θ(n log n). Wzór na DFT można zapisać jako X k = N 1 kn 2πi x n e N N 2 1 N 2 1 = x 2n e kn 2πi N x 2n e 2 +e 2πi k N 2πi k(2n) N + N 2 1 N 2 1 kn 2πi N x 2n+1 e 2 = X e k + e 2πi k N X o k, k = 0,..., N 1 k(2n+1) 2πi x 2n+1 e N M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 5 / 17

Pozostaje jeszcze zauważyć, że X k = Xk e + e 2πi k N Xk o = Xk e e 2πi k N Xk o X k+ N 2 0 k < N 2 Bez straty ogólności załóżmy, że N = 2 m, m N. Jeżeli tak nie jest to do ciągu x i, i = 0,..., N 1 można dopisać zera, aż do najbliżej potęgi 2. Ponadto DFT ciągu składającego się z jednej próbki to identyczność. Wobec tego można sformułować poniższy algorytm. M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 6 / 17

Algorytm 2 (x,n) Input: x : tablica zmiennych typu complex o długości N = 2 m Output: x : tablica zmiennych typu complex o długości N 1: if N=1 then 2: return x 3: end if 4: ω, ω N 1, e i 2π N 5: x e, x o (x 0, x 2,..., x N 2 ), (x 1, x 3,..., x N 1 ) 6: x e, x o (x e, N 2 ), (x o, N 2 ) 7: for k = 0 to N 2 1 do 8: x k x k e + ω x k o 9: x k+ N x k e ω x k o 10: ω ωω N 11: end for 12: return x 2 M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 7 / 17

Złożoność powyższego algorytmu to Θ(n log n). M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 8 / 17

Złożoność powyższego algorytmu to Θ(n log n). Zauważmy że działania wykonywane w liniach 7 11 mają złożoność liniową. Wobec tego złożoność całego algrytmu wynosi T (n) = 2T ( n 2 ) + Θ(n). M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 8 / 17

Złożoność powyższego algorytmu to Θ(n log n). Zauważmy że działania wykonywane w liniach 7 11 mają złożoność liniową. Wobec tego złożoność całego algrytmu wynosi T (n) = 2T ( n 2 ) + Θ(n). Po rozwikłaniu tej rekurencji (np. za pomocą tw. o rekurencji uniwersalnej) dostajemy T (n) = Θ(n log n). M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 8 / 17

Złożoność powyższego algorytmu to Θ(n log n). Zauważmy że działania wykonywane w liniach 7 11 mają złożoność liniową. Wobec tego złożoność całego algrytmu wynosi T (n) = 2T ( n 2 ) + Θ(n). Po rozwikłaniu tej rekurencji (np. za pomocą tw. o rekurencji uniwersalnej) dostajemy T (n) = Θ(n log n). Jest to szybka metoda na obliczenie DFT, co pozwala na wykonywanie operacji na sygnale w dziedzinie częstotliwości. M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 8 / 17

Splot dwóch funkcji x i h definiujemy wzorem (x h)(t) = x(τ)h(t τ)dτ. M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 9 / 17

Splot dwóch funkcji x i h definiujemy wzorem (x h)(t) = x(τ)h(t τ)dτ. Jeśli sygnał określony jest w punktach x i, i = 0,..., N 1, to dyskretnym analogiem powyższej definicji jest (x h) n = N 1 m=0 x m h n m. M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 9 / 17

Splot dwóch funkcji x i h definiujemy wzorem (x h)(t) = x(τ)h(t τ)dτ. Jeśli sygnał określony jest w punktach x i, i = 0,..., N 1, to dyskretnym analogiem powyższej definicji jest (x h) n = N 1 m=0 x m h n m. Bezpośrednie obliczenie takiej sumy ma złożoność Θ(n 2 ). Istnieje jednak szybszy sposób na obliczenie dyskretnego splotu dwóch funkcji. M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 9 / 17

Korzystając z faktu, że x h = xĥ dyskretny splot można obliczyć w czasie Θ(n log n). M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 10 / 17

Konwersja sygnału analogowego na cyfrowy Wartości występujące w przyrodzie są na ogół ciągłe (analogowe). Aby móc korzystać z metod cyfrowego przetwarzania w celu ich obróbki należy dokonać wcześniejszej konwersji sygnału analogowego na cyfrowy. Odbywa się to w trzech etapach: M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 11 / 17

Konwersja sygnału analogowego na cyfrowy Wartości występujące w przyrodzie są na ogół ciągłe (analogowe). Aby móc korzystać z metod cyfrowego przetwarzania w celu ich obróbki należy dokonać wcześniejszej konwersji sygnału analogowego na cyfrowy. Odbywa się to w trzech etapach: próbkowania; M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 11 / 17

Konwersja sygnału analogowego na cyfrowy Wartości występujące w przyrodzie są na ogół ciągłe (analogowe). Aby móc korzystać z metod cyfrowego przetwarzania w celu ich obróbki należy dokonać wcześniejszej konwersji sygnału analogowego na cyfrowy. Odbywa się to w trzech etapach: próbkowania; kwantyzacji; M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 11 / 17

Konwersja sygnału analogowego na cyfrowy Wartości występujące w przyrodzie są na ogół ciągłe (analogowe). Aby móc korzystać z metod cyfrowego przetwarzania w celu ich obróbki należy dokonać wcześniejszej konwersji sygnału analogowego na cyfrowy. Odbywa się to w trzech etapach: próbkowania; kwantyzacji; kodowania; M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 11 / 17

Konwersja sygnału analogowego na cyfrowy M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 12 / 17

Próbkowanie Próbkowanie polega na pobieraniu próbek z sygnału analogowego z częstotliwością próbkowania, w wyniku którego z sygnału ciągłego uzyskuje się ciąg próbek w postaci impulsów o wartościach określonych w dyskretnych punktach i o amplitudach równych amplitudom sygnału analogowego w tych punktach. M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 13 / 17

Kwantyzacja Kwantyzacja dyskretnego sygnału otrzymanego w procesie próbkowania polega na podziale zakresu amplitud, jakie mogą przybierać próbki, na określoną liczbę przedziałów i przyporządkowanie każdej próbce numeru poziomu, do którego sięga jej amplituda. M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 14 / 17

Kodowanie Kodowanie skwantowanego sygnału polega na przekształceniu go w sygnał cyfrowy przez przyporządkowanie poszczególnym poziomom tego sygnału, wyrażonym w liczbach układu dziesiętnego, numerów wyrażonych w systemie binarnym. M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 15 / 17

Kodowanie Kodowanie skwantowanego sygnału polega na przekształceniu go w sygnał cyfrowy przez przyporządkowanie poszczególnym poziomom tego sygnału, wyrażonym w liczbach układu dziesiętnego, numerów wyrażonych w systemie binarnym. Na ogół zakres amplitud dzieli się na 65535 (2 16 1) przedziałów, pozwala to na zapisanie do 16-bitowych integerów. M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 15 / 17

Filtry splotowe Operacji na sygnałach można dokonywać za pomocą filtrów cyfrowych. W tym celu wyobraźmy sobie układ, który po podaniu na wejście sygnału na wyjściu podaje sygnał przetworzony przez ten układ. W teorii przetwarzania sygnałów stosuje się m.in. takie układy, które splatają sygnał z innym, określonym przez układ ciągiem. Jeśli taki układ jest filtrem splotowym, to ciąg ten będziemy nazywać współczynnikami filtra splotowego. M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 16 / 17

Filtry FIR M. Jenczmyk Sesja wiosenna KNM 2014 i dyskretny splot 17 / 17