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



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

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

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. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

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

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

Úvod do zpracování signálů

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

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

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

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

Biofyzikální ústav LF MU Brno. jarní semestr 2011

Úvod do medicínské informatiky pro Bc. studium. 6. přednáška

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Multimediální systémy

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

Modelov an ı syst em u a proces

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

Diskretizace. 29. dubna 2015

VY_32_INOVACE_E 15 03

Číslicové filtry. Honza Černocký, ÚPGM

Digitalizace převod AS DS (analogový diskrétní signál )

Teoretická elektrotechnika - vybrané statě

Automatizace je proces při němž je řídicí funkce člověka nahrazována činností

31SCS Speciální číslicové systémy Antialiasing

Předmět A3B31TES/Př. 13

Číslicové zpracování signálů a Fourierova analýza.

A/D převodníky - parametry

Vzorkování. Je-li posloupnost diracových impulzů s periodou T S : Pak časová posloupnost diskrétních vzorků bude:

P7: Základy zpracování signálu

Kapitola 1. Signály a systémy. 1.1 Klasifikace signálů

ZÁKLADY AUTOMATICKÉHO ŘÍZENÍ

Snímání biologických signálů. A6M31LET Lékařská technika Zdeněk Horčík Katedra teorie obvodů

CW01 - Teorie měření a regulace

ANALÝZA BIOLOGICKÝCH A KLINICKÝCH DAT V MEZIOBOROVÉM POJETÍ

1. Přednáška: Obecné Inf. + Signály a jejich reprezentace

základní vlastnosti, používané struktury návrhové prostředky MATLAB problém kvantování koeficientů

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

Modelování a simulace Lukáš Otte

do magisterské etapy programu ELEKTRONIKA A KOMUNIKACE

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

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

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

Náhodné signály. Honza Černocký, ÚPGM

B2M31SYN SYNTÉZA AUDIO SIGNÁLŮ

Teorie systémů TES 3. Sběr dat, vzorkování

Analýza a zpracování signálů

8. Sběr a zpracování technologických proměnných

Cvičná bakalářská zkouška, 1. varianta

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

ÚPGM FIT VUT Brno,

A7B31ZZS 4. PŘEDNÁŠKA 13. října 2014

Vlastnosti konvoluce. ÚPGM FIT VUT Brno,

Základní metody číslicového zpracování signálu část I.

Počítačové sítě. Lekce 5: Základy datových komunikací

Laplaceova transformace

U Úvod do modelování a simulace systémů

Základní metody číslicového zpracování signálu a obrazu část II.

Analýza a zpracování ultrazvukových signálů

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

CW01 - Teorie měření a regulace

Měření neelektrických veličin. Fakulta strojního inženýrství VUT v Brně Ústav konstruování

Základní pojmy o signálech

- DAC - Úvod A/D převodník převádějí analogové (spojité) veličiny na digitální (nespojitou) informaci. Základní zapojení převodníku ukazuje obr.

FOURIEROVA ANAL YZA 2D TER ENN ICH DAT Karel Segeth

Restaurace (obnovení) obrazu při známé degradaci

Autor by chtìl podìkovat všem svým spolupracovníkùm a kolegùm, kteøí mu pomohli s pøípravou textu. K vydání knihy pøispìla firma Newport Electronics s

Měření dat Filtrace dat, Kalmanův filtr

Předmět A3B31TES Př. 2 B

Quantization of acoustic low level signals. David Bursík, Miroslav Lukeš

MATLAB. F. Rund, A. Novák Katedra radioelektroniky, FEL ČVUT v Praze. Abstrakt

Parciální diferenciální rovnice

25.z-6.tr ZS 2015/2016

filtry FIR zpracování signálů FIR & IIR Tomáš Novák

Signál v čase a jeho spektrum

ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ Z MECHANICKÝCH. Jiří Tůma

Fourierova transformace

3 METODY PRO POTLAČENÍ ŠUMU U ŘE- ČOVÉHO SIGNÁLU

Základní komunikační řetězec

Akustika. 3.1 Teorie - spektrum

Při návrhu FIR filtru řešíme obvykle následující problémy:

Analýza a zpracování signálů. 1. Úvod

Měření závislosti statistických dat

Praha technic/(4 -+ (/T'ERATU"'P. ))I~~

ROZDĚLENÍ SNÍMAČŮ, POŽADAVKY KLADENÉ NA SNÍMAČE, VLASTNOSTI SNÍMAČŮ

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

Technická kybernetika. Obsah. Principy zobrazení, sběru a uchování dat. Měřicí řetězec. Principy zobrazení, sběru a uchování dat

Operace s obrazem. Biofyzikální ústav LF MU. Projekt FRVŠ 911/2013

Ivan Švarc. Radomil Matoušek. Miloš Šeda. Miluše Vítečková. c..~"f~ AKADEMICKÉ NAKlADATEL.STVf. Brno 20 I I

Vlastnosti členů regulačních obvodů Osnova kurzu

Nelineární obvody. V nelineárních obvodech však platí Kirchhoffovy zákony.

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

1 Zpracování a analýza tlakové vlny

polyfázové filtry (multirate filters) cascaded integrator comb filter (CIC) A0M38SPP - Signálové procesory v praxi - přednáška 8 2

7.1. Číslicové filtry IIR

Digitální telefonní signály

Transkript:

Lineární a adaptivní zpracování dat 1. ÚVOD: SIGNÁLY a SYSTÉMY Daniel Schwarz Investice do rozvoje vzdělávání

Osnova Úvodní informace o předmětu Signály, časové řady klasifikace, příklady, vlastnosti Vzorkovací věta jako dogma Kvantování Příklady: vliv vzorkovací periody na povahu signálu aliasing kvantovacíšum Systémy Vlastnosti systémů

Úvodní informace o předmětu??? Proč LINEÁRNÍ A ADAPTIVNÍ ZPRACOVÁNÍ DAT??? Cíl předmětu Poskytnout informace o vědním oboru ZPRACOVÁNÍ DIGITÁLNÍCH SIGNÁLŮ a v mezidruhové komunikaci ukázat některé jeho výhody pro matematické biology. Souvislost předmětu s jinými Bi5440: Signály a lineární systémy Bi5445: Zpracování a analýza biosignálů Klíčová slova Časové řady, signály, systémy, spektrum, impulsní charakteristika, frekvenční charakteristika, přenosová funkce, lineární filtrace, adaptivní filtrace, identifikace, lineární predikce

Úvodní informace o předmětu Organizace předmětu Přednášky Počítačové procvičování (MATLAB) Úvod do MATLABu: http://labe.felk.cvut.cz/~posik/x33scp/matlab primer/uvoddomatlabu.html Hodnocení Ústní zkouška Bonusy za aktivitu (zejména při počítačovém procvičování ) Konzultace po předchozí dohodě emailem kdykoli

Úvodní informace o předmětu Plán přednášek P1. Úvod: SIGNÁLY a SYSTÉMY. Signály, časové řady, posloupnosti, data. Vzorkovací věta, aliasing zatím jako dogma. Kvantování. Definice, struktura systému. Příklady systémů a jejich vlastnosti. Princip superpozice. P2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně. LTI systémy. Popis LTI systému v časové oblasti. Odvození konvoluce a impulsní charakteristiky. P3. SIGNÁLY, SYSTÉMY a jejich popis ve frekvenční oblasti. Fourierovy řady v komplexním tvaru. Eulerovy vztahy. Odezva systému na harmonický signál, frekvenční charakteristika. Princip filtrování, idealizované filtry. Vzorkování, překrývání spekter. P4. Lineární filtrace I: Z transformace, přenosová funkce systému. Vztah přenosové funkce a frekvenční charakteristiky. Nuly, póly. Odhad tvaru frekvenční charakteristiky z rozložení nul a pólů přenosové funkce sytému. P5. Lineární filtrace II: IIR, FIR, AR, MA, ARMA.

Úvodní informace o předmětu Plán přednášek P6. Kumulační zvýrazňování signálů v šumu I: Repetiční signál, podmínky vymizení šumu, princip kumulačních technik. P7. Kumulační zvýrazňování signálů v šumu II: Kumulace s klouzavým oknem, exponenciální kumulace. P8. Náhodné procesy a modely časový řad I. Aditivní model vzniku časové řady. Stacionarita, trend, sezónnost. P9. Náhodné procesy a modely časový řad II. Modely časových řad: AR, MA, ARMA, ARIMA, bílý šum. Posouzení kvality předpovídání.

Úvodní informace o předmětu Plán přednášek P10. Adaptivní filtrace a predikce I. Identifikace systémů. Predikční filtr, minimalizace střední kvadratické odchylky. P11. Adaptivní filtrace a predikce II. Řešení normálních rovnic metodou nejstrmějšího sestupu, LMS algoritmus. P12. Adaptivní filtrace a predikce III. RLS algoritmus. Kalmanův filtr.

Signály?

Signály Signál je nositelem informace.

Signály Signál je nositelem informace. informace data znalosti

Signály Signál je nositelem informace. informace data znalosti Informace/data/znalosti o procesech a jevech, které existují a probíhají v realitě.

Signály Signál je nositelem informace. informace data znalosti Informace/data/znalosti o procesech a jevech, které existují a probíhají v realitě. Signál je funkce v čase nebo v prostoru proměnných a měřitelných veličin.

Signály Signál je nositelem informace. informace data znalosti Informace/data/znalosti o procesech a jevech, které existují a probíhají v realitě. Signál je funkce v čase nebo v prostoru proměnných a měřitelných veličin, která je nositelem informace.

Signály - příklady Elektrické signály Akustické signály Video signály Biologické signály

Signály příklady, veličiny Elektrické signály (napětí, proud v obvodu) Akustické signály (intenzita mechanického vlnění) Video signály (intenzita/jas obrazu) Biologické signály (sekvence bází v genu, membránová napětí a proudy buněk)

Signály příklady, veličiny a co je toto?

Signály klasifikace Rozdělení signálů podle matematického popisu: Deterministické: periodické, harmonické, multifrekvenční, přechodné Stochastické: stacionární, nestacionární Rozdělení signálů podle nezávislých veličin: Spojité Diskrétní 1 D, 2 D, 3 D, 4 D, N D

Signály klasifikace, příklady 1 D 2 D 3 D 4 D

Signály klasifikace, příklady Příklady přirozeně spojitých a přirozeně diskrétních veličin: Spojité (CT): Diskrétní (DT): CT: x(t) DT: x[n], n N

Signály klasifikace, příklady Příklady přirozeně spojitých a přirozeně diskrétních veličin: Spojité (CT): proud, napětí, tlak, teplota, rychlost, Diskrétní (DT): sekvence DNA bází, populace n té generace živ. druhu, CT: x(t) DT: x[n], n N

Signály klasifikace, příklady Příklady nepřirozeně diskrétních signálů: Týdenní Dow-Jones index Digitální obraz

Signály vs. časové řady??? SIGNÁLY ČASOVÉ ŘADY

Signály vs. časové řady 1 D DISKRÉTNÍ SIGNÁLY ČASOVÉ ŘADY

A/D převod A/D převod: diskretizace signálu v čase diskretizace signálu v amplitudě

A/D převod: vzorkování Vzorkování: diskretizace spojitého signálu v čase Násobení signálu periodickým sledem Diracových impulsů T s F s = 1/T s vzorkovací perioda vzorkovací frekvence

A/D převod: vzorkování Vzorkování: diskretizace spojitého signálu v čase T s F s = 1/T s vzorkovací perioda vzorkovací frekvence Pokud spojitý signál x(t) neobsahuje složky s frekvencí nad f max, pak je veškerá informace o signálu x(t) obsažena v posloupnosti jeho vzorků x(nt), je li při vzorkování splněna podmínka: F s >2 f max Nyquist Shannon Je li tedy splněna tato podmínka, lze z posloupnosti vzorků signálu x(nt) dokonale rekonstruovat původní analogový signál x(t).

A/D převod: vzorkování Podvzorkování způsobuje artefakty (tzv. aliasy), aliasing:

A/D převod: vzorkování Podvzorkování způsobuje artefakty (tzv. aliasy), aliasing:

A/D převod: vzorkování Podvzorkování způsobuje artefakty (tzv. aliasy), aliasing:

A/D převod: kvantování 3-bitový A/D převodník: 8-bitový A/D převodník: 16-bitový A/D převodník: 8 hladin 256 hladin 2 16 hladin

A/D převod: kvantizační šum

A/D převod: kvantizační šum

1. cvičení 1. Vyjádřete poměr signálu ke kvantizačnímu šumu jako funkci počtu bitů A/D převodníku. Velikost šumu je zvykem vyjadřovat jako poměrné číslo v decibelech. 2. Seznamka s Matlabem. 3. Vyzkoušejte vliv aliasingu nevhodným podvzorkováním 1 D signálu. 4. Vyzkoušejte vliv aliasingu nevhodným podvzorkováním 2 D signálu. 5. Vyzkoušejte vliv kvantizačního šumu na zvukový signál.

ffgf Systémy 34

Systémy: definice?

Systémy: definice Systém je množinou prvků, které jsou spolu ve vzájemných vztazích a které tvoří určitý celek.

Systémy: definice Systém je množinou prvků, které jsou spolu ve vzájemných vztazích a které tvoří určitý celek. vstupní signál Systém výstupní signál

Systémy: definice Systém je množinou prvků, které jsou spolu ve vzájemných vztazích a které tvoří určitý celek. vstupní signál Systém výstupní signál Za systém považujeme jakoukoli sadu procesů, které ovlivňují povahu signálu.

Systémy: definice Systém je množinou prvků, které jsou spolu ve vzájemných vztazích a které tvoří určitý celek. vstupní signál Systém výstupní signál Za systém považujeme jakoukoli sadu procesů, které ovlivňují povahu signálu.

Systémy: definice Systém je množinou prvků, které jsou spolu ve vzájemných vztazích a které tvoří určitý celek. vstupní signál Systém výstupní signál Za systém považujeme jakoukoli sadu procesů, které ovlivňují povahu signálu. PRVKY+VAZBY = STRUKTURA SYSTÉMU

Struktura systému

Struktura systému ELEMENTÁRNÍ PRVKY + PODSYSTÉMY + VAZBY

Příklady systémů Mechanický systém x(t) y(t) aplikována síla vychýlení K pružnost (konst.) D tlumivost (konst.) M hmotnost (konst.)

Příklady systémů Elektrický systém x(t) y(t) R L C napětí zdroje napětí na kapacitoru odpor (konst.) indukce (konst.) kapacita (konst.)

Příklady systémů Hranový detektor druhá diference

Poučení z příkladů Fyzikálně velmi rozdílné systémy mohou být modelovány matematicky velmi podobně.

Poučení z příkladů Fyzikálně velmi rozdílné systémy mohou být modelovány matematicky velmi podobně. Mnoho (ne všechny) systémy popisujeme diferenciálními nebo diferenčními rovnicemi.

Poučení z příkladů Fyzikálně velmi rozdílné systémy mohou být modelovány matematicky velmi podobně. Mnoho (ne všechny) systémy popisujeme diferenciálními nebo diferenčními rovnicemi. Abychom popsali kompletně vstupně výstupní chování systému, musíme znát kromě rovnic také..

Poučení z příkladů Fyzikálně velmi rozdílné systémy mohou být modelovány matematicky velmi podobně. Mnoho (ne všechny) systémy popisujeme diferenciálními nebo diferenčními rovnicemi. Abychom popsali kompletně vstupně výstupní chování systému, musíme znát kromě rovnic také okrajové (počáteční) podmínky.

Poučení z příkladů Fyzikálně velmi rozdílné systémy mohou být modelovány matematicky velmi podobně. Mnoho (ne všechny) systémy popisujeme diferenciálními nebo diferenčními rovnicemi. Abychom popsali kompletně vstupně výstupní chování systému, musíme znát kromě rovnic také okrajové (počáteční) podmínky. Čas bývá nezávislou proměnnou sledovaných systémů, ovšem zdaleka ne ve všech případech.

Vlastnosti systémů vstupní signál Systém výstupní signál kauzální nekauzální časově invariantní časově proměnné linearní nelineární

Vlastnosti systémů: kauzalita Systém je kauzální, pokud jeho výstup závisí pouze na minulých a současných vstupních hodnotách. Všechny fyzikální systémy v reálném čase jsou kauzální, protože.

Vlastnosti systémů: kauzalita Systém je kauzální, pokud jeho výstup závisí pouze na minulých a současných vstupních hodnotách. Všechny fyzikální systémy v reálném čase jsou kauzální, protože čas běží pouze dopředu.

Vlastnosti systémů: kauzalita Systém je kauzální, pokud jeho výstup závisí pouze na minulých a současných vstupních hodnotách. Všechny fyzikální systémy v reálném čase jsou kauzální, protože čas běží pouze dopředu. Kauzalita se netýká systémů s prostorově závislými proměnnými.

Vlastnosti systémů: kauzalita Systém je kauzální, pokud jeho výstup závisí pouze na minulých a současných vstupních hodnotách. Všechny fyzikální systémy v reálném čase jsou kauzální, protože čas běží pouze dopředu. Kauzalita se netýká systémů s prostorově závislými proměnnými. Kauzalita se netýká systémů zpracovávající nahrané signály.

Vlastnosti systémů: kauzalita Systém je kauzální, pokud jeho výstup závisí pouze na minulých a současných vstupních hodnotách. Všechny fyzikální systémy v reálném čase jsou kauzální, protože čas běží pouze dopředu. Kauzalita se netýká systémů s prostorově závislými proměnnými. Kauzalita se netýká systémů zpracovávající nahrané signály. Pozn.: derivace signálu v čase t je přirozeně nekauzálním výpočtem.

Vlastnosti systémů: kauzalita kauzální x nekauzální????

Vlastnosti systémů: kauzalita kauzální x nekauzální kauzální nekauzální nekauzální kauzální

Vlastnosti systémů: časová invariantnost Neformálně: Systém je časově invariantní (time invariant TI), pokud jeho chování nezávisí na tom, kolik je zrovna hodin. Matematicky: Systém x[n] > y[n] je časově invariantní, když pro jakýkoli vstupní signál x[n] a jakékoli časové posunutí n 0 platí:

Vlastnosti systémů: časová invariantnost Neformálně: Systém je časově invariantní (time invariant TI), pokud jeho chování nezávisí na tom, kolik je zrovna hodin. Matematicky: Systém x[n] > y[n] je časově invariantní, když pro jakýkoli vstupní signál x[n] a jakékoli časové posunutí n 0 platí: Pozn. 1: o fyziologických/biologických systémech, adaptibilitě a proměnlivých vlastnostech těchto systémů v čase. Pozn. 2: o stacionaritě a nestacionaritě signálů.

Vlastnosti systémů: časová invariantnost časově invariantní x časově proměnné systémy :??

Vlastnosti systémů: časová invariantnost časově invariantní x časově proměnné systémy : časově invariantní časově proměnný

Vlastnosti systémů: časová invariantnost Je li na vstupu časově invariantního systému periodický signál, pak na jeho výstupu je.......

Vlastnosti systémů: časová invariantnost Je li na vstupu časově invariantního systému periodický signál, pak na jeho výstupu je periodický signál se stejnou periodou.

Vlastnosti systémů: linearita Lineární systém je takový systém, v němž lze uplatnit princip superpozice.?

Vlastnosti systémů: linearita Lineární systém je takový systém, v němž lze uplatnit princip superpozice.

vsuvka: princip superpozice

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

ffgf Otázky? schwarz@iba.muni.cz 70