Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Podobné dokumenty
Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně

Lineární a adaptivní zpracování dat. 3. SYSTÉMY a jejich popis ve frekvenční oblasti

Lineární a adpativní zpracování dat. 3. Lineární filtrace I: Z-transformace, stabilita

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY a SYSTÉMY

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY, ČASOVÉ ŘADY a SYSTÉMY

Lineární a adaptivní zpracování dat. 1. ÚVOD: SIGNÁLY, ČASOVÉ ŘADY a SYSTÉMY

Úvod do zpracování signálů

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Analýza lineárních regulačních systémů v časové doméně. V Modelice (ale i v Simulinku) máme blok TransfeFunction

Modelování systémů a procesů (11MSP) Bohumil Kovář, Jan Přikryl, Miroslav Vlček. 8. přednáška 11MSP pondělí 20. dubna 2015

Flexibilita jednoduché naprogramování a přeprogramování řídícího systému

ÚPGM FIT VUT Brno,

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

1 Zpracování a analýza tlakové vlny

Signál v čase a jeho spektrum

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

KTE/TEVS - Rychlá Fourierova transformace. Pavel Karban. Katedra teoretické elektrotechniky Fakulta elektrotechnická Západočeská univerzita v Plzni

[ n. Konvoluce. = 0 jinak. 0 jinak. Užitečné signály (diskrétní verze) Jednotkový skok 1 pro n = 0

Modelov an ı syst em u a proces

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

Diskretizace. 29. dubna 2015

Číslicové filtry. Honza Černocký, ÚPGM

Laplaceova transformace

Analýza a zpracování digitálního obrazu

DSY-4. Analogové a číslicové modulace. Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

Při návrhu FIR filtru řešíme obvykle následující problémy:

ÚPGM FIT VUT Brno, periodické a harmonické posloupnosti. konvoluce Fourierova transformace s diskrétním časem

Transformace obrazu Josef Pelikán KSVI MFF UK Praha

Osnova. Idea ASK/FSK/PSK ASK Amplitudové... Strana 1 z 16. Celá obrazovka. Konec Základy radiotechniky

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

1. března Organizace Základní informace Literatura Úvod Motivace... 3

Vlastnosti konvoluce. ÚPGM FIT VUT Brno,

Periodicita v časové řadě, její popis a identifikace, exponenciální vyrovnáván

Parciální diferenciální rovnice

Biofyzikální ústav LF MU Brno. jarní semestr 2011

Při návrhu FIR filtru řešíme obvykle následující problémy:

X31EO2 - Elektrické obvody 2. Kmitočtové charakteristiky

Fourierova transformace

VY_32_INOVACE_E 15 03

Multimediální systémy

Diskrétní 2D konvoluce

Číslicová filtrace. FIR filtry IIR filtry. ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

Dodatky k FT: 1. (2D digitalizace) 2. Více o FT 3. Více k užití filtrů. 7. přednáška předmětu Zpracování obrazů

Příloha č. 1. amplitudová charakteristika filtru fázová charakteristika filtru / frekvence / Hz. 1. Určení proudové hustoty

25.z-6.tr ZS 2015/2016

Digitalizace převod AS DS (analogový diskrétní signál )

Operace s obrazem I. Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity Brno. prezentace je součástí projektu FRVŠ č.

základní vlastnosti, používané struktury návrhové prostředky MATLAB problém kvantování koeficientů

Vlastnosti Fourierovy transformace

I. část - úvod. Iva Petríková

22 Základní vlastnosti distribucí

P7: Základy zpracování signálu

CW01 - Teorie měření a regulace

Základní metody číslicového zpracování signálu a obrazu část II.

Obraz matematický objekt. Spojitý obraz f c : (Ω c R 2 ) R

ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ Z MECHANICKÝCH. Jiří Tůma

Opakování z předmětu TES

Nauka o Kmitání Přednáška č. 4

ZS: 2018/2019 NMAF063 F/3 Josef MÁLEK. Matematika pro fyziky III

Základy a aplikace digitálních. Katedra radioelektroniky (13137), blok B2, místnost 722

MĚŘENÍ A ANALÝZA ELEKTROAKUSTICKÝCH SOUSTAV NA MODELECH. Petr Kopecký ČVUT, Fakulta elektrotechnická, Katedra Radioelektroniky

31ZZS 9. PŘEDNÁŠKA 24. listopadu 2014

teorie elektronických obvodů Jiří Petržela obvodové funkce

Kapitola 1. Signály a systémy. 1.1 Klasifikace signálů

ALGEBRA. Téma 5: Vektorové prostory

Základní metody číslicového zpracování signálů pro integrovanou výuku VUT a VŠB-TUO

Základní pojmy o signálech

Systémy. Systém: souhrn souvisejících prvků, sdružený do nějakého smysluplného celku

1 Modelování systémů 2. řádu

MĚŘENÍ ÚHLOVÝCH KMITŮ ZA ROTACE

Vlastnosti členů regulačních obvodů Osnova kurzu

Předmět A3B31TES/Př. 13

FOURIEROVA TRANSFORMACE FOURIEROVA VĚTA

Poznámky k Fourierově transformaci

Číslicové zpracování signálů a Fourierova analýza.

02 Systémy a jejich popis v časové a frekvenční oblasti

Přehled veličin elektrických obvodů

0 = 2e 1 (z 3 1)dz + 3z. z=0 z 3 4z 2 + 3z + rez. 4. Napište Fourierův rozvoj vzhledem k trigonometrickému systému periodickému

9. PRINCIPY VÍCENÁSOBNÉHO VYUŽITÍ PŘENOSOVÝCH CEST

Nejprve si připomeňme z geometrie pojem orientovaného úhlu a jeho velikosti.

FOURIEROVA TRANSFORMACE

Fourierova transformace

Lékařská fakulta Masarykovy univerzity Brno. MUDr. Jaromír Šrámek (BFÚ LF MU) Biosignál / 35

Circular Harmonics. Tomáš Zámečník

7.1. Číslicové filtry IIR

2 Teoretický úvod Základní princip harmonické analýzy Podmínky harmonické analýzy signálů Obdelník Trojúhelník...

9. cvičení z Matematické analýzy 2

3 METODY PRO POTLAČENÍ ŠUMU U ŘE- ČOVÉHO SIGNÁLU

Teorie měření a regulace

Z transformace. Definice. Z transformací komplexní posloupnosti f = { } f n z n, (1)

Geometrické transformace

Jasové transformace. Karel Horák. Rozvrh přednášky:

1. Vlastnosti diskretních a číslicových metod zpracování signálů... 15

12 - Frekvenční metody

Zvuk. 1. základní kmitání. 2. šíření zvuku

FOURIEROVA ANAL YZA 2D TER ENN ICH DAT Karel Segeth

Posloupnosti a řady. 28. listopadu 2015

A7B31ZZS 10. PŘEDNÁŠKA Návrh filtrů 1. prosince 2014

Transkript:

Lineární a adaptivní zpracování dat 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně Daniel Schwarz Investice do rozvoje vzdělávání

Osnova Opakování: signály a systémy Vlastnosti systémů Systémy a jejich popis v časové doméně: Konvoluce Impulsní charakteristika Systémy a jejich popis ve frekvenční doméně: Fourierovy řady Odezva systému na harmonický signál, frekvenční charakteristika Příklady: systém pro hledání bodů zlomu v signálu výpočet frekvenční charakteristiky systému z jeho diferenční rovnice

Opakování: signály Definice signálu a jeho matematické vyjádření Klasifikace signálů podle čeho dělíme a na co je dělíme A/D převod z čeho se skládá Vzorkovací věta a aliasing Kvantování a kvantizační šum Systém definice, struktura systému Systém tři základní vlastnosti

Vlastnosti systémů lineární x nelineární systémy časově invariantní x časově proměnné systémy kauzální x nekauzální systémy : y[n] = x 2 [n]? y[n] = x[2n]?

Vlastnosti systémů lineární x nelineární systémy časově invariantní x časově proměnné systémy kauzální x nekauzální systémy : y[n] = x 2 [n] Nelinární, časově invariantní, kauzální y[n] = n.x[2n] Lineární, časově proměnný, nekauzální

LTI systémy Lineární časově invariantní systémy (LTI): disponují elegantní matematické vztahy mezi jeho vstupy a výstupy. lze určit výstupní odezvu systému na jakýkoli vstup lze také určit vstup systému při pozorování jeho výstupu Selský rozum: Znám-li odezvu LTI systému na velmi krátký vstupní signál, mohu pomocí těchto velmi krátkých signálů seskládat libovolný vstupní signál a odezvu LTI systému na něj pak seskládat ze známé odezvy na velmi krátký signál.

LTI systémy lineární systém Hledáme základní, tj. bázové signály tak, aby: bylo možné reprezentovat libovolné signály jako lineární kombinaci těchto bázových signálů odezva LTI systémů na tyto bázové signály byla jednoduchá a zároveň aby umožňovala dostatečně hluboký vhled

Jednotkový diskrétní impulz?

Jednotkový diskrétní impulz Jednotkový diskrétní impulz je elementární posloupnost ve tvaru osamělého vzorku jednotkové velikosti Pozn.: Neplést s Diracovým impulsem!

Reprezentace DT signálů jednotkovými impulsy

Reprezentace DT signálů jednotkovými impulsy Pozn.: Filtrační vlastnost Diracovy distribuce:

Odezva systému na jednotkový impuls x[n] LTI systém y[n] Lineární systém: je odezvou systému na:

Odezva systému na jednotkový impuls x[n] LTI systém y[n] Lineární a časově invariantní systém s odezvou h[n] na jednotkový impuls:

Odezva systému na jednotkový impuls x[n] LTI systém y[n] Lineární a časově invariantní systém s odezvou h[n] na jednotkový impuls: konvoluční suma

LTI systémy: konvoluce x[n] LTI systém y[n]

LTI systémy: konvoluce x[n] LTI systém y[n] IMPULSNÍ CHARAKTERISTIKA SYSTÉMU

LTI systémy: konvoluce x[n] LTI systém y[n] Sečti odezvy přes všechny k

LTI systémy: konvoluce x[n] LTI systém y[n] http://www.jhu.edu/~signals/discreteconv2/index.html

LTI systémy: konvoluce

LTI systémy: konvoluce

LTI systémy: konvoluce

LTI systémy: konvoluce

LTI systémy: konvoluce

LTI systémy: konvoluce Stabilní systém kritérium v časové oblasti

LTI systémy: konvoluce Komutativní vlastnost konvoluce

LTI systémy: konvoluce Asociativní vlastnost konvoluce

LTI systémy: konvoluce Distributivní vlastnost konvoluce

LTI systémy: konvoluce Distributivní vlastnost konvoluce Každý netriviální LTI systém může být rozložen na paralelní spojení jednodušších dílčích LTI systémů.

LTI systémy: konvoluce Průměrovací vlastnost konvoluce

2. cvičení 1. Realizujte vlastní funkci pro výpočet konvoluce pomocí cyklu, násobení a sčítání. Porovnejte výsledky z Vaší implementace s výsledky z matlabovské funkce conv(). Otestujte, zda je operátor konvoluce komutativní. 2. Realizujte systém představující hranový detektor pro detekce bodů zlomu v signálu. Hranový detektor představuje druhou diferenci. 3. Realizujte systém popsaný touto diferenční rovnicí: y[n] = (-0.2426x[n]+0.73152x[n-1]+6.0635x[n-2]+16.912x[n-3]+ +26.536x[n-4]+26.536x[n-5]+16.912x[n-6]+6.0635x[n-7]+ +0.73152x[n-8]+-0.2426x[n-9]) / 100. a prozkoumejte jeho odezvu na předložený signál.

2. Cvičení - konvoluce

2. Cvičení hranový detektor

2. cvičení vyhlazování 10 9 zaruseny originalni vyhlazeny 8 7 6 5 4 3 150 200 250 300 350 400

ffgf SYSTÉMY a jejich popis ve frekvenční oblasti 34

LTI systémy lineární systém Hledáme základní, tj. bázové signály tak, aby: bylo možné reprezentovat libovolné signály jako lineární kombinaci těchto bázových signálů odezva LTI systémů na tyto bázové signály byla jednoduchá a zároveň aby umožňovala dostatečně hluboký vhled

LTI systémy lineární systém Hledáme základní, tj. bázové signály tak, aby: bylo možné reprezentovat libovolné signály jako lineární kombinaci těchto bázových signálů odezva LTI systémů na tyto bázové signály byla jednoduchá a zároveň aby umožňovala dostatečně hluboký vhled MINULE: NYNÍ: jednotkové impulsy sinusové signály - komplexní exponenciály (harmonické časové řady)

Eulerovy vztahy e jx + e jx cos x = 2 e jx e jx sin x = 2 j

Harmonická časová řada f f ( ) ( ) n = A sin ω n + ϕ ( n) = A e j, f ( ω n+ ϕ ). f

f f ( n) = A sin( ω n + ϕ) ( n) = A e j f, ( ω n+ ϕ ). f Harmonická časová řada

Fourierovy řady?

Fourierovy řady Fourierova řada slouží k vyjádření rozvoje funkce prostřednictvím harmonických složek vyjádřených goniometrickými funkcemi nebo komplexními exponenciálami.

Fourierovy řady Fourierova řada slouží k vyjádření rozvoje funkce prostřednictvím harmonických složek vyjádřených goniometrickými funkcemi nebo komplexními exponenciálami. Fourierovy řady slouží jako teoretický základ pro analýzu signálů a systémů ve frekvenční oblasti.

Fourierovy řady ( n ) = x a e 0 k k = N jkω n FŘ diskrétní posloupnosti x(n) ω 0 základní úhlová frekvence 2π/N N počet vzorků v jedné periodě a k koeficienty FŘ

Fourierovy řady x[n] LTI systém y[n] ( ) jkω n = ( ) = ( jkω ) 0 n ake y n H e 0 jkω0n x ake k = N k = N FŘ diskrétní posloupnosti x(n) ω 0 základní úhlová frekvence 2π/N N počet vzorků v jedné periodě a k koeficienty FŘ

Fourierovy řady Vlastnosti FŘ: LINEARITA: KOMPLEXNÍ SDRUŽENÍ: je reálná je sudá, pak je sudá, pak je. je.

Fourierovy řady Vlastnosti FŘ: LINEARITA: KOMPLEXNÍ SDRUŽENÍ: je reálná je sudá, pak je sudá, pak je lichá. je lichá.

Fourierovy řady Vlastnosti FŘ: LINEARITA: KOMPLEXNÍ SDRUŽENÍ: je reálná je sudá, pak je sudá, pak je lichá. je lichá. POSUNUTÍ V ČASE: fázový posun úměrný t 0

Fourierovy řady Vlastnosti FŘ: LINEARITA: KOMPLEXNÍ SDRUŽENÍ: je reálná je sudá, pak je sudá, pak je lichá. je lichá. POSUNUTÍ V ČASE: fázový posun úměrný t 0 Příklad: posun o půl periody..

Fourierovy řady Vlastnosti FŘ: LINEARITA: KOMPLEXNÍ SDRUŽENÍ: je reálná je sudá, pak je sudá, pak je lichá. je lichá. POSUNUTÍ V ČASE: fázový posun úměrný t 0 Příklad: posun o půl periody.

Fourierovy řady Vlastnosti FŘ: PARCEVALŮVTEORÉM:

Fourierovy řady Vlastnosti FŘ: PARCEVALŮVTEORÉM: Průměrný výkon signálu Výkon k-té harmonické složky

Fourierovy řady Vlastnosti FŘ: PARCEVALŮVTEORÉM: Průměrný výkon signálu Výkon k-té harmonické složky Energie, ať měřená v časové nebo frekvenční oblasti, zůstává stejná.

Fourierovy řady Vlastnosti FŘ: PARCEVALŮVTEORÉM: Průměrný výkon signálu Výkon k-té harmonické složky Energie, ať měřená v časové nebo frekvenční oblasti, zůstává stejná. NÁSOBENÍ: x(t) i y(t) jsou periodické signály s periodou T. důkaz:

Fourierovy řady Vlastnosti FŘ: PERIODICKÁ KONVOLUCE: x(t), y(t) jsou periodické signály s periodou T.... i z(t) je periodický signál s periodou T. Nezáleží na tom, nad kterou periodou se integruje.

Fourierovy řady Vlastnosti FŘ: PERIODICKÁ KONVOLUCE: x(t), y(t) jsou periodické signály s periodou T.... i z(t) je periodický signál s periodou T. Nezáleží na tom, nad kterou periodou se integruje. Násobení ve frekvenční oblasti!!!

Fourierovy řady Poznámka o Fourierověřadě a Fourierově transformaci:. aneb k čemu mi je analýza periodických signálů, když většina signálů, které znám, jsou neperiodické? (EKG, epidemiologické trendy, apod.)

Fourierovy řady Poznámka o Fourierověřadě a Fourierově transformaci: periodické signály Fourierova řada aperiodické signály. Fourierova transformace periodické s ω 0 = 0 a T =. 8 diskrétní posloupnost koeficientů pro ω 0, 2ω 0, 3ω 0,

Fourierovy řady Poznámka o Fourierověřadě a Fourierově transformaci: periodické signály Fourierova řada aperiodické signály. Fourierova transformace periodické s ω 0 = 0 a T =. 8 diskrétní posloupnost koeficientů pro ω 0, 2ω 0, 3ω 0, Integrace přes nekonečno a výsledkem bude spojitý obraz spojité funkce x(t):

Fourierovy řady Fourierova reprezentace diskrétních signálů x[n] periodický signál se základní periodou N.

Fourierovy řady Fourierova reprezentace diskrétních signálů x[n] periodický signál se základní periodou N. řada

Fourierovy řady Fourierova reprezentace diskrétních signálů x[n] periodický signál se základní periodou N. konečná řada

Fourierovy řady Fourierova reprezentace diskrétních signálů x[n] periodický signál se základní periodou N. konečná řada suma přes N kterýchkoliv po sobě jdoucích hodnot k.

Fourierovy řady Fourierova reprezentace diskrétních signálů x[n] periodický signál se základní periodou N. konečná řada a k =? suma přes N kterýchkoliv po sobě jdoucích hodnot k.

Fourierovy řady a k =? N rovnic o N neznámých

Fourierovy řady a k =? Konečné geometrické řady:

Fourierovy řady a k =? Konečné geometrické řady:.. spec. vlastnost u diskrétních signálů

Fourierovy řady Poznámka o Fourierověřadě diskrétního signálu a DTFT (discrete-time Fourier transform):.

Fourierovy řady Poznámka o Fourierověřadě diskrétního signálu a DTFT (discrete-time Fourier transform): DTFT nějaké posloupnosti se počítá úplně stejně jako se počítají koeficienty Fourierovy řady této posloupnosti

Periodické signály a LTI systémy

Periodické signály a LTI systémy zesílení amplituda fáze

Periodické signály a LTI systémy zesílení amplituda fáze LTI systém nevytváří nové frekvenční složky, ale pouze zesiluje nebo potlačuje frekvenční komponenty existující ve vstupním signálu.

Periodické signály a LTI systémy Frekvenční charakteristika: G(ω) =

Periodické signály a LTI systémy Frekvenční charakteristika: G(ω) = je periodická funkce, jejíž výpočet odpovídá výpočtu koeficientů Fourierovy řady impulsní charakteristiky h.

Frekvenční charakteristika PŘÍKLAD: vyhlazovací systém

Frekvenční charakteristika PŘÍKLAD: vyhlazovací systém..

Frekvenční charakteristika PŘÍKLAD: vyhlazovací systém..

Frekvenční charakteristika PŘÍKLAD: vyhlazovací systém

3. cvičení 1. Vypočtěte frekvenční charakteristiku jednoduchého systému, který aproximuje derivaci signálu: 2. Vypočtěte frekvenční charakteristiku jednoduchého systém, který provádí dvouvzorkové vyhlazování: 3. Aplikujte vyhlazovací a derivovací systém na učitelem dodané 1-D a 2-D signály a sledujte jak frekvenční charakteristika systémů ovlivňuje povahu výstupních signálů.

3. cvičení

3. cvičení Magnitude Response (db) 5 0 Magnitude (db) -5-10 -15 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 Normalized Frequency ( π rad/sample)

3. cvičení 70 60 Incidence Mortalita 50 40 30 20 10 0-10 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

ffgf Otázky? schwarz@iba.muni.cz 82