Elektrotechnika a informatika - bakalářské studium FM TUL
Studijní předmět

Název: Signály a informace
Zkratka: SGI_K
Typ: povinný
Rozsah v hod.: 20K +36E
Kredity: 5
Způsob ukončení: zkouška
 
Katedra: katedra elektroniky a zpracování signálů FM TUL
Přednášející: Prof. Ing. Jan Nouza, CSc. (50%)
Ing. Miroslav Holada, Ph.D. (50%)

 
Stručná anotace předmětu:

Předmět seznamuje studenty se základy metod pro zpracování signálů. V úvodu a v průběhu výuky jsou zmiňovány též analogové signály, hlavní pozornost je však věnována diskrétním signálům a číslicovým systémům pro jejich zpracování. Metody časové a frekvenční analýzy, algoritmy pro výpočet konvoluce, korelace, FFT, filtrace a modulace jsou představovány na konkrétních praktických úlohách z oblasti sdělovací a záznamové techniky, multimédií, zpracování obrazů a řeči, apod. Ve cvičeních jsou úlohy tohoto typu názorně řešeny v prostředí MATLAB.

 
Témata přednášek:

  1. Signál jako zdroj informace, příklady signálů: akustické (řečové, hudební), obrazové (statické a dynamické), přírodní signály, ekonomické časové řady. Signály na počítačích, multimédia.
  2. Harmonické signály a jejich popis pomocí goniometrických a exponenciálních funkcí. Obecné periodické signály a jejich konkrétní příklady. Fourierovy řady. Pojem spektrum a jeho význam. Analýza a syntéza periodických signálů.
  3. Analogové a číslicové signály. AD převod - vzorkování, kvantování, kódování. Vzorkovací teorém a jeho důsledky. Aliasing, vznik přeloženého signálu. DA převod a jeho vlastnosti.
  4. LTI systém. Konvoluce, vysvětlení na číslicovém systému, konvoluční suma a konvoluční integrál. Metody výpočtu konvoluce.
  5. Číslicová filtrace. Filtr typu FIR, vlastnosti, chování v časové a frekvenční oblasti. Amplitudová a fázová charakteristika. Zpoždění. Průměrovací filtr. Dolní a horní propust. Řazení filtrů.
  6. Filtr typu IIR. Využití z-transformace pro popis chování filtru a obecného LTI systému. Diferenční rovnice. Impulzní odezva a systémová funkce. Nuly a póly, vliv na chování systému.
  7. Diskrétní Fourierova transformace. Podmínky jejího použití, vlastnosti, interpretace výsledků. Spektrum periodického číslicového signálu. FFT algoritmus, odvození, vlastnosti, praktické použití. Aplikace FFT na neperiodické signály. Spektrogram. Zobecnění předchozích poznatků na analogové signály periodické a obecné.
  8. Modulace amplitudová, frekvenční a fázová. Popis v časové a frekvenční oblasti. Číslicové modulace. Multiplexní přenos signálů.
  9. Deterministické a náhodné signály. Množství přenášené informace. Šum a jeho vliv na ztrátu informace. Vznik šumu a měření jeho výkonu. Korelace, autokorelace. 2D signály.
  10. Deterministické a náhodné signály. Množství přenášené informace. Šum a jeho vliv na ztrátu informace. Vznik šumu a měření jeho výkonu. Korelace, autokorelace. 2D signály.
  11. Příklady a ukázky praktických aplikací: Analýza a syntéza řeči. Syntéza hudebních signálů. Analýza a predikce přírodních a ekonomických řad. Analýza a zpracování obrazů. Multimediální standardy.

 
Náplň cvičení:

MATLAB: seznámení s prostředím a se základními funkcemi. Grafické zobrazení dat. Záznam, čtení, ukládání a manipulace se signálovými daty. Formáty dat pro ukládání zvuku a obrazu.

Generování a zobrazování periodických, obecných a náhodných signálů.

Harmonická syntéza periodických signálů, aplikace v hudební oblasti - tvorba melodie, napodobení zvuků různých nástrojů.

Ověření vzorkovacího teorému. Vznik přeložených frekvencí. Ukázky na akustických a obrazových datech.

Návrh jednoduchých filtrů FIR a IIR. Návrh a aplikace DP, HP, PP a PZ. Aplikace na akustická a obrazová data.

DFT a FFT. Vlastní naprogramování DFT a FFT. Porovnání výpočetní náročnosti. Aplikace FFT na praktické signály. Interpretace dat získaných FFT. Výpočet a znázornění spektrogramu.

AM a FM modulace. Generování modulovaných signálů a analýza ve spektrální oblasti. Tvorba speciálních hudebních efektů.

Generování různých typů šumu. Možnosti filtrace šumu pomocí filtru. Identifikace periodického signálu v šumu pomocí autokorelační funkce. Projevy šumu v obrazovém a akustickém signálu.

Časová a frekvenční analýza signálu řeči. Lokální, frekvenční a histogramová analýza obrazu.


V kombinované formě jsou jednotlivá témata seskupena do 4 bloků:
- Úvod do zpracování signálů v prostředí MATLAB
- Frekvenční analýza signálů, návrh filtrů
- Metody analýzy a zpracování jednorozměrných (zejména zvukových) signálů
- Metody analýzy a zpracování obrazové informace
Studenti dále musí vyřešit malou semestrální úlohu.

 
Literatura:

[1] Uhlíř J., Sovka P., Čmejla R.: Úvod do číslicového zpracování signálů. Skriptum FEL ČVUT. Praha 2003.

[2] Vích R., Smékal Z.: Číslicové filtry. Academia Praha 2000.

[3] Odkaz na internetovou stránku, na které jsou materiály k e-learningové formě studia.      http://www.fm.vslib.cz/~kes/ ... Předměty

 
Prerekvizity: základní znalosti z Matematiky I. a II.

Navazující:    -


Organizace výuky v kombinované formě studia:

V průběhu semestru bude 16 hodin přednášek, na kterých budou přednášena témata 1-11. Pro tato témata budou k dispozici podrobné učební texty v pdf formátu včetně kontrolních otázek a testů. K diskusi budou vypsány konzultační hodiny On line na internetu v prostředí CLIX.

Cvičení budou rozdělena do 4 bloků a budou na nich probírány základní úlohy, zadávány úlohy pro samostudium s možností on-line nebo off-line konzultací podle dohody s posluchači. Tyto bloky budou probíhat v semestru a většinou v laboratořích. Soustředění budou navazovat na cvičení, na závěr bude procvičená látka shrnuta. Student absolvuje dva kontrolní testy pro udělení zápočtu – jeden na závěr bloku cvičení a druhý na konci soustředění.

 
Datum poslední změny: 3.11.2004


ZPĚT