Laboratorium cyfrowego przetwarzania sygnałów
W proponowanych ćwiczeniach zagadnienia cyfrowego przetwarzania sygnałów
przedstawione są na przykładach aktualnych zastosowań z telekomunikacji,
elektroakustyki, analizy drgań mechanicznych i przetwarzania obrazów.
Zadania przeznaczone są dla osób, które mogą eksperymentować z rzeczywistymi,
fizycznymi sygnałami, m.in. z mikrofonów, cyfrowych odbiorników radiowych oraz
czujników optoelektronicznych.
W omawianych ćwiczeniach wykorzystywany jest nowoczesny sprzęt – układy akwizycji
danych, układy przetwarzania wykorzystujące macierze FPGA i procesory sygnałowe,
oscyloskopy i generatory. Część zadań wykonywana jest na komputerach PC za pomocą
nowoczesnego oprogramowania (Matlab, przyrządy wirtualne LabView).
Rozdziały skryptu odpowiadają kolejnym ćwiczeniom, opatrzonym krótkim wstępem
teoretycznym. Następnie proponowane są zadania do pracy własnej, pozwalające
sprawdzić wiedzę w praktyce rachunkowej i pojęciowej. Ostatnią (i zasadniczą)
częścią rozdziału jest zestaw zadań do wykonania w laboratorium.
Wstęp . 7
1. Przeznaczenie skryptu 7
2. Układ skryptu . 8
3. Konwencje formalne . 8
4. Podziękowania 9
Ćwiczenie Z. Laboratorium zerowe – Matlab, LabView i narzędzia 11
Z.1. Wprowadzenie do zajęć 11
Z.2. Wprowadzenie do pakietu Matlab 11
Z.2.1. Matlab – rozpoznanie walką 12
Z.3. Wprowadzenie do pakietu LabView . 19
Z.3.1. Przyrząd złożony z gotowych bloków uniwersalnych . 21
Z.3.2. Zadanie extra Programowanie w LabView – prosty przyrząd wirtualny . 25
Ćwiczenie 1. Próbkowanie, odtwarzanie, decymacja, interpolacja . 31
1.1. Podstawy teoretyczne . 31
1.1.1. Sygnał dyskretny . 31
1.1.2. Redukcja i ekspansja próbek . 40
1.2. Zadania do pracy własnej studenta 44
1.3. Dostępny sprzęt i oprogramowanie 45
1.3.1. Skrypty Matlaba 45
1.3.2. Aparatura . 47
1.4. Eksperymenty do wykonania w laboratorium 49
1.4.1. Sygnał dyskretny i jego widmo 49
1.4.2. Efekty kwantowania 53
1.4.3. Redukcja i ekspansja próbek . 55
Ćwiczenie 2. DTF – rozróżnialność, uzupełnianie zerami, okna .
59
2.1. Podstawy teoretyczne . 59
2.1.1. Analiza widmowa sygnału . 59
2.1.2. Elementarne wzory i definicje . 62
2.1.3. DTF w praktyce przetwarzania sygnałów . 67
2.2. Zadania do pracy własnej studenta 73
2.3. Eksperymenty do wykonania w laboratorium 74
2.3.1. Badanie widm rzeczywistych sygnałów dyskretnych . 74
2.3.2. Dyskretna transformata Fouriera sygnału o skończonym czasie trwania 76
2.3.3. Dyskretna transformata Fouriera sygnału okresowego 77
2.3.4. Widmo sygnału opóźnionego . 81
2.3.5. Zastosowanie okien czasowych 81
2.3.6. Miniprojekt – rozróżnialność widmowa (ciuciubabka) 85
Ćwiczenie 3. Widmo chwilowe . 89
3.1. Podstawy teoretyczne . 89
3.1.1. Pojęcie widma chwilowego 89
3.1.2. Obliczanie widma chwilowego 93
3.1.3. Rozróżnialność widmowa i czasowa analizy . 96
3.1.4. Sygnały badane w laboratorium 99
3.2. Zadania do pracy własnej studenta 101
3.3. Eksperymenty do wykonania w laboratorium 102
3.3.1. Widmo zwykłe a widmo chwilowe 102
3.3.2. Analiza rzeczywistych sygnałów za pomocą spektrogramu . 107
Ćwiczenie 4. Filtry – właściwości, projektowanie, przetwarzanie sygnałów
. 117
4.1. Podstawy teoretyczne . 117
4.1.1. Uśrednianie z wagami, czyli filtry SOI (ang. FIR) 117
4.1.2. Sprzężenie zwrotne, czyli filtry NOI (ang. IIR) 119
4.1.3. Projektowanie filtrów . 121
4.1.4. Triki implementacyjne . 129
4.2. Zadania do pracy własnej studenta 132
4.3. Dostępny sprzęt i oprogramowanie 133
4.3.1. Standardowe funkcje Matlaba . 133
4.4. Eksperymenty do wykonania w laboratorium – projektowanie i wykorzystanie filtrów
cyfrowych . 133
4.4.1. Filtr SOI i NOI, związek zer i biegunów z charakterystyką 133
4.4.2. Bezpośrednie projektowanie filtrów SOI – metoda obcięcia szeregu Fouriera 135
4.4.3. Zadanie extra Projektowanie filtrów SOI metodą optymalizacyjną 139
4.4.4. Projektowanie filtrów NOI z prototypu analogowego . 140
4.4.5. Realizacja filtrów i zastosowania filtrów . 140
Ćwiczenie 5. Analiza i przetwarzanie sygnałów stochastycznych (periodogram,
filtracja szumów) . 143
5.1. Podstawy teoretyczne . 143
5.1.1. Sygnały stochastyczne – wstęp 144
5.1.2. Dyskretne sygnały stochastyczne . 148
5.1.3. Klasyczne metody estymacji funkcji autokorelacji i widma mocy 152
5.1.4. Przetwarzanie stacjonarnych sygnałów stochastycznych przez filtry cyfrowe 160
5.2. Zadania do pracy własnej studenta 164
5.3. Dostępny sprzęt i oprogramowanie 165
5.3.1. Skrypty Matlaba 165
5.3.2. Aparatura .
5.4. Eksperymenty do wykonania w laboratorium – sygnały losowe, ich analiza i
przetwarzanie 167
5.4.1. Podstawy 167
5.4.2. Periodogram 171
5.4.3. Zadania praktyczne – miniprojekty 173
Ćwiczenie 6. Detekcja, filtr dopasowany, odbiór korelacyjny 177
6.1. Podstawy teoretyczne . 177
6.1.1. Krótka teoria filtru dopasowanego 177
6.1.2. Kompresja impulsu 183
6.1.3. Krótka teoria modulacji PSK z rozpraszaniem widma 185
6.2. Zadania do pracy własnej studenta 189
6.3. Eksperymenty do wykonania w laboratorium 190
6.3.1. Filtr dopasowany . 190
6.3.2. Detekcja sygnałów za pomocą filtru dopasowanego . 192
6.3.3. Przesyłanie sygnału z wielodostępem kodowym . 195
6.3.4. Przetwarzanie sygnału rzeczywistego . 196
Ćwiczenie 7. Praktyczne wykorzystanie cyfrowego przetwarzania sygnałów –
wibroakustyka . 199
7.1. Podstawy teoretyczne . 199
7.1.1. Przetwarzanie sygnałów wibroakustycznych . 199
7.1.2. Przetwarzanie sygnału z czujnika elektrooptycznego . 201
7.2. Zadania do pracy własnej studenta 201
7.3. Eksperymenty do wykonania w laboratorium 204
7.3.1. Opis aparatury wykorzystywanej w ćwiczeniu 204
7.3.2. Zadania do wykonania . 205
Ćwiczenie 8. Przetwarzanie sygnałów w czasie rzeczywistym – układy FPGA
. 213
8.1. Podstawy teoretyczne . 213
8.1.1. Iloczyn skalarny w przetwarzaniu sygnałów . 213
8.1.2. Elementy realizacji filtrów 216
8.1.3. Efekty skończonej długości słowa w implementacji sprzętowej filtrów 219
8.2. Programowalne układy logiczne . 228
8.2.1. Programowanie układów FPGA (ujęcie poglądowe) . 230
8.3. Zadania do pracy własnej studenta 234
8.4. Dostępny sprzęt i oprogramowanie 235
8.4.1. Układ laboratoryjny 235
8.4.2. Zestaw uruchomieniowy NI myRIO . 235
8.5. Eksperymenty do wykonania w laboratorium 238
8.5.1. Proste implementacje filtrów . 238
Ćwiczenie 9. Przetwarzanie obrazów . 245
9.1. Podstawy teoretyczne . 245
9.1.1. Definicje podstawowe . 245
9.1.2. Widmo obrazu cyfrowego . 247
9.1.3. Filtracja liniowa 252
9.1.4. Filtracja nieliniowa. Filtr medianowy . 259
9.1.5. Poprawa kontrastu za pomocą operacji na histogramach . 263
9.1.6. Wykrywanie prostych – transformacja Hougha 265
9.1.7. Wstęp do kompresji obrazu 265
9.1.8. Transformacja falkowa 267
9.2. Zadania do pracy własnej studenta 268
9.3. Dostępny sprzęt i oprogramowanie 269
9.3.1. Wczytywanie i przygotowanie obrazów 269
9.4. Eksperymenty do wykonania w laboratorium 270
9.4.1. Widmo sygnału dwuwymiarowego 270
9.4.2. Filtrowanie sygnałów dwuwymiarowych . 273
9.4.3. Wykrywanie krawędzi i detekcja prostych 276
9.4.4. Usuwanie szumów . 278
9.4.5. Proste metody kompresji obrazu . 279
9.4.6. Zakres dynamiczny obrazów . 281
Dodatek A. Regulaminy . 283
A.1. Regulamin porządkowy i BHP 283
A.2. Regulamin zaliczania przedmiotu . 284
A.3. Protokół z ćwiczenia . 285
Dodatek B. Opis urządzenia NI myRIO 287
Literatura . 291
292 strony, oprawa miękka
