Εργαστήριο. Εργαστήριο Σηµάτων και Τηλεπικοινωνιών

Transcript

1 Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής Παρουσίαση: Κ. Μπερµπερίδης ιατοµεακό µάθηµα Α Έτους, 09/1 /10/ Το (ΕΣΤ) είναι θεσµοθετηµένο του Τµήµατος Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής (ΤΜΗΥΠ) του Πανεπιστηµίου Πατρών και λειτουργεί επισήµως από το Το ΕΣΤ στηρίζει το µέρος του εκπαιδευτικού έργου του ΤΜΗΥΠ (προπτυχιακού και µεταπτυχιακού) που σχετίζεται µε τα ευρύτερα επιστηµονικά πεδία των Σηµάτων, των Συστηµάτων και των Τηλεπικοινωνιών. Στα πεδία αυτά το ΕΣΤ αναπτύσσει επίσης έντονη ερευνητική δραστηριότητα µε διεθνή αναγνώριση. 2

2 Το Ανθρώπινο υναµικό του ΕΣΤ (1/2) Μέλη ΕΠ: - Κώστας Μπερµπερίδης - Εµµανουήλ Ψαράκης - Ενα ακόµη µέλος ΕΠ εντός του 2010 ιδάσκοντες ν.407: ρ. Νίκος Ζερβός, ρ. Φώτης Γκιουλέκας Μεταδιδακτορικοί Συνεργάτες Ερευνητές: ρ. Πάνος Καραϊβάζογλου, ρ. Βασίλης Κεκάτος 3 Το Ανθρώπινο υναµικό του ΕΣΤ (2/2) Υποψήφιοι ιδάκτορες: Γιώργος Αλεξανδρόπουλος ηµήτρης Αµπελιώτης Κώστας Γρίβας Άρης Λάλος Χρήστος Μαυροκεφαλίδης Βασίλης Πίκουλης Γιώργος Ροπόκης Χρήστος Τσίνος Βαγγέλης Βλάχος Μεταπτυχιακοί και Προπτυχιακοί Φοιτητές : Στο εκπονούν κάθε χρόνο τη ιπλωµατική τους Εργασία αρκετοί µεταπτυχιακοί φοιτητές των ΠΜΣ «Συστήµατα Επεξεργασίας Σηµάτων και Επικοινωνιών» και «Επιστήµη και Τεχνολογία των Υπολογιστών» καθώς και προπτυχιακοί φοιτητές του ΤΜΗΥΠ. 4

3 Σήµατα και Τηλεπικοινωνιές : Τι προσφέρουν ; Μερικά παραδείγµατα: MP3, JPEG, MPEG... Wi-Fi, BlueTooth, Κινητά... GPS, Google Earth (συγκόληση εικόνων) Αξονική / Μαγνητική Τοµογραφία / Υπέρηχοι / Εγκεφαλογράφος / Καρδιογράφος... και όλος σχεδόν ο σύγχρονος ιατρικός εξοπλισµός Συστήματα πλοήγησης και υπολ. όρασης (ροµποτ, πύραυλοι...) Πρόβλεψη καιρού Ανάλυση σεισµολογικών δεδοµένων Συστήµατα αυτόµατης ανάγνωσης κειµένων Αναζήτηση σε πολυµεσικές βάσεις δεδοµένων 5 Πού συναντάµε σήµατα; Σχεδόν παντού. Στην παρατήρηση φυσικών ή τεχνητών διεργασιών Στην επικοινωνία των µηχανών µεταξύ τους Στην επικοινωνία ανθρώπου -µηχανής Παραδείγµατα: Φωνή, Μουσική, Εικόνα, Βίντεο Τηλεπικοινωνίες, ίκτυα παντός τύπου (π.χ. ίκτυα Αισθητήρων) Τρισδιάστατη υπολογιστική όραση, Ροµποτική, Αυτόµατη Πλοήγηση Βιολογικά, βιοϊατρικά σήµατα Σήµατα από ραντάρ, σόναρ, σεισµογράφους κλπ Χρονοσειρές οικονοµικών δεικτών, µετεωρολογικών δεδοµένων κλπ. 6

4 Σήµατα Το σήµα είναι µια οντότητα, µεταβαλλόµενη στο χρόνο, στο χώρο, ήσεσχέσηµε κάποια άλλη ανεξάρτητη µεταβλητή. Το σήµα φέρει πληροφορία (ή αποκρύπτει πληροφορία) Σχετική έννοια: Το σύστηµα (µετασχηµατισµός της πληροφορίας) Στόχοι: Η επεξεργασία και η ανάλυση των σηµάτων Η εξαγωγή της µέγιστης δυνατής πληροφορίας Η µετάδοσηή/και αποθήκευση της πληροφορίας µετρόποασφαλή και οικονοµικό 7 Το παράδειγµα τηςφωνής 8

5 Το παράδειγµα της Φωνής (συνέχεια): Η ανακάλυψη της δοµής που έχει η φωνή οδηγεί στην ανάπτυξη συστηµάτων για: - Βελτίωση σήµατος φωνής - Συµπίεση δεδοµένων φωνής - Τεχνητή σύνθεση φωνής - ιαχωρισµός οµιλητών - Αναγνώριση φωνής - Ταυτοποίηση οµιλητή - Επεξεργασία φυσικής γλώσσας 9 Ένα σήµα µπορεί να είναι: - Αναλογικό ή διακριτό (ή και ψηφιακό). Αν είναι αναλογικό µετατρέπεται σε διακριτό Είναι δυνατή η 100% ανακατασκευή τουαρχικούσήµατος µόνον από τα δείγµατά του!!! - Ντετερµινιστικό (αιτιοκρατικό) ή στοχαστικό Τα περισσότερα σήµατα στην πράξη είναι στοχαστικά 10

6 Η περιοχή των Σηµάτων σχετίζεται µε τα Μαθηµατικά... αλλά και µε το Hardware! - Πρόβληµα Ιδέα Μαθηµατικά Εξοµοίωση Υλοποίηση - Ισχυροί µαθηµατικοί πυλώνες: - Μαθηµατική Ανάλυση - Γραµµική Άλγεβρα / Αριθµητικές Μέθοδοι / Θεωρία Βελτιστοποίησης - Πιθανότητες / Στοχαστικές ιαδικασίες - Εποµένως όσοι αγαπούν τα Μαθηµατικά θα αγαπήσουν και τα Σήµατα - Οι υπόλοιποι θα αποζηµιωθούν όταν γνωρίσουν τις Εφαρµογές - Ίσως είναι η πιο διεπιστηµονική περιοχή του ευρύτερου γνωστικού αντικειµένου της Πληροφορικής 11 Στα Σήµατα θα γνωρίσετε νέους χώρους και πεδία όπου οι οντότητες αυτές αναπαρίστανται. Παράδειγµα: Πεδίο Χρόνου Πεδίο Συχνοτήτων Πολύ συχνά δουλεύοντας στο πεδίο συχνοτήτων αποκτούµε καλύτερη φυσική διαίσθηση του προβλήµατος και οδηγούµαστε στο επιθυµητό αποτέλεσµα µε: - Μεγαλύτερη Ακρίβεια και Αξιοπιστία - Μικρότερη Υπολογιστική Πολυπλοκότητα 12

7 13 Λάθος συµπέρασµα: Ο άνθρωπος µοιάζει πολύ µε τον πίθηκο στο πεδίο συχνοτήτων Σωστό συµπέρασµα: Υπάρχει σηµαντική πληροφορία που δεν είναι εύκολα απεικονίσιµη 14

8 Τηλεπικοινωνίες Εδώ µας ενδιαφέρουν οι Τηλεπικοινωνίες (ή Επικοινωνίες) στα λεγόµενα χαµηλά επίπεδα ενός δικτύου (ένας βασικός πυλώνας: τα σήµατα) Ο στόχος είναι η µετάδοση της πληροφορίας µέσα από ένα κανάλι (οπτικό, ενσύρµατο, ασύρµατο). Άραταπρώταβασικάερωτήµατα είναι: - Τι είναι η πληροφορία; - Πώς ποσοτικοποιείται; Και στη συνέχεια: - Πώς θα τη µεταδόσουµε µε ασφάλεια, αξιοπιστία, οικονοµία σε πόρους - Ή πώς να την αποθηκεύσουµε (HD / DVD / flash / νέες μνήμες ) 15 Τα τελευταία 50 χρόνια ορυφορικές Επικοινωνίες Οπτικές Επικοινωνίες Κυψελωτές Ασύρµατες Επικοινωνίες Αναλογικά Ψηφιακά Συστήµατα Τεχνολογικές Εξελίξεις Transistor Ολοκληρωµένα κυκλώµατα Οπτοηλεκτρονική Παραγωγή και ενίσχυση µικροκυµάτων Τεχνολογία κεραιών Θεωρητικές Εξελίξεις Hartley Nyquist Wiener Shannon Hamming 16

9 Αναλογικά Συστήµατα Επικοινωνίας κριτήριο είναι η πιστότητα ( ) mt ˆ ( ) mt Ψηφιακά Συστήµατα Επικοινωνίας κριτήρια είναι» ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων (R bps)» πιθανότητα σφάλµατος bit ( ˆ) P = P b b η P b εξαρτάται» από την ισχύ σήµατος και την ισχύ θορύβου» το ρυθµό µετάδοσης δεδοµένων» τα χαρακτηριστικά του καναλιού (κανάλι: µέσο µετάδοσης) b 17 ΠΗΓΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΚΩ ΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ ΠΗΓΗΣ ΚΩ ΙΚΟΠΟΙΗΤΗΣ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΙΑΜΟΡΦΩΤΗΣ Σύµβολα (π.χ. bits) Αναλογικό σήµα ΚΑΝΑΛΙ ΑΠΟ ΕΚΤΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΑΠΟΚΩ /ΤΗΣ ΠΗΓΗΣ ΑΠΟΚΩ /ΤΗΣ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΑΠΟ ΙΑΜΟΡΦΩΤΗΣ 18

10 Επεξεργασίας Ραγδαίες εξελίξεις τα τελευταία χρόνια ενώ ακόµα πιο εντυπωσιακές αναµένονται στο σχετικά εγγύς µέλλον! Από τις επικοινωνίες point-to to- point περάσαµε σε σύνθετα δίκτυα (οπτικά, δορυφορικά, ασύρµατα) και οδηγούµαστε σε πλήρη ενοποίηση των δικτύων από τη µικρή κλίµακα του άµεσου περιβάλλοντος µας µέχρι την παγκόσµια κλίµακα Στον ορίζοντα διαγράφεται η εποχή των «γνωστικών επικοινωνιών» ΦΡΥΚΤΩΡΙΑ: Το πρώτο σύστηµα ασύρµατης ψηφιακής επικοινωνίας Στην πρώτη µορφή του συναντάται ήδη πριν το 1100 π.χ. ιαδοχικά βελτιώθηκε τεχνικά και επεκτάθηκε σε ολόκληρη την Ελληνική επικράτεια Το ελληνικό αλφάβητο διαιρέθηκε σε 5 τµήµατα διαδοχικών γραµµάτων Σύστηµα Αναµετάδοσης: ύο οµάδες από 5 δάδες η κάθε µία Πρώτη οµάδα: ο αριθµός των αναµµένων δαδών δείχνει σε πιο τµήµα γραµµάτων αναφερόµαστε εύτερη οµάδα: ο αριθµός των αναµµένων δαδών δείχνει το συγκεκριµένο γράµµα από το τµήµα αυτό 20

11 Φρυκτωρίας συνέχεια... Οι δάδες ήταν πάντοτε αναµµένες και καλύπτονταν ή απο-καλύπτονταν ανάλογα µε τον προς µετάδοση χαρακτήρα Ένα µήνυµα µπορούσε να µεταδοθεί σε αποστάσεις πάνω από 1000km σε λιγότερο από 1 ώρα Ενδιαφέρον: οι θέσεις των «σταθµών αναµετάδοσης» ήταν περίπου οι ίδιες µε αυτές που χρησιµοποιούνται από τα σύγχρονα ασύρµατα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα 21 ραστηριότητες σχετικές µε Σήµατα & Τηλεπικοινωνίες εντός του ΤΜΗΥΠ: Στην εκπαίδευση Στην έρευνα Σχετική ερευνητική δραστηριότητα στο Ερευνητικό Ακαδηµαϊκό Ινστιτούτο Τεχνολογίας Υπολογιστών Ερευνητική Μονάδα σε θέµατα Επεξεργασίας Σήµατος και Επικοινωνιών 22

12 Εκπαιδευτική ραστηριότητα Εισαγωγή στη Θεωρία Σηµάτων και Συστηµάτων (Κ) Ψηφιακή Επεξεργασία Σηµάτων (Κ) Συστήµατα Μετάδοσης Πληροφορίας (Κ) Ψηφιακές Τηλεπικοινωνίες (Κ) Στοχαστικά Σήµατα και Εφαρµογές (Ε) Εφαρµογών της Ψηφιακής Επεξεργασίας Σηµάτων (Ε) Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας (Ε+Μ) Προχωρηµένα Θέµατα Τηλεπικοινωνιών (Ε + Μ) Κινητά ίκτυα Επικοινωνιών (Ε + Μ) Ανάλυση και Πρόβλεψη Χρονοσειρών (Μ) Υπολογιστική Όραση και Γραφικά (Ε), (νέο µάθηµα) Θεωρία Πληροφορίας Συµπίεση εδοµένων (Ε), (απότοεπόµενο ακαδ. έτος) Ψηφιακός Αυτόµατος Έλεγχος (Ε), (απότοεπόµενο ακαδ. έτος) ιατµηµατικό Πρόγραµµα ΜεταπτυχιακώνΣπουδών(µε THMTY και Φυσικό) «Συστήµατα Επεξεργασίας Σηµάτων & Επικοινωνιών» 23 Παραδείγµατα Ερευνητικών ραστηριοτήτων: 1) Κινητά ίκτυα Επικοινωνιών: Ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραµµα µε συµµετοχή 7 εργαστηρίων από Πανεπιστήµια και Ινστιτούτα όλης της Ευρώπης Στο πλαίσιο ευρωπαϊκού προγράµµατος βασικής έρευνας (Future and Emerging Technologies, FET) το ΕΕΣΤ εργάζεται αυτή την περίοδο (σε συνεργασία µε κάποιες από τις καλύτερες οµάδες στην Ευρώπη) σε θεµελιώδη θέµατα που σχετίζονται µε τις λεγόµενες συνεργατικές επικοινωνίες. 24

13 Παραδείγµατα Ερευνητικών ραστηριοτήτων (συνέχεια): 2) Βιοϊατρική έρευνα: Ερευνητικό πρόγραµµα µε συµµετοχή 4 ερευνητικών οµάδων από Ελλάδα, Κύπρο και Μεγάλη Βρετανία Η εµπειρία του ΕΕΣΤ σε θέµατα επεξεργασίας και ανάλυσης εικόνας συνετέλεσε στην επιτυχή ολοκλήρωση ερευνητικού προγράµµατος µε διεθνή συµµετοχή, που είχε ως στόχο τη βελτίωση της διάγνωσης καρκίνου του προστάτη στη βάση της συνδυασµένης αξιοποίησης εικόνων MRI (Magnetic Resonance Imaging) τύπου Τ1 και Τ2. 25 Παραδείγµατα Ερευνητικών ραστηριοτήτων (συνέχεια): 3) Αισθητήρες και ίκτυα Αισθητήρων: Ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραµµα µε συµµετοχή 8 εργαστηρίων από Πανεπιστήµια και Ινστιτούτα όλης της Ευρώπης Στο πλαίσιο ευρωπαϊκού προγράµµατος (ALFA-CRAFT) έχει σχεδιαστεί και κατασκευαστεί στο εργαστήριο ΕΕΣΤ σύστηµα αισθητήρων που σκοπό έχει την εκτίµηση της συγκέντρωσης κυττάρων και του βαθµού ωρίµανσης σε καλλιέργειες φυτοπλαγκτού. Να σηµειωθεί ότι το όλο σύστηµα (αλγόριθµοι, λογισµικό επεξεργασίας, ηλεκτρονικά µέρη, κύριο σώµα πολυαισθητήρα κλπ) όχι µόνον έχει σχεδιαστεί αλλά και κατά το µεγαλύτερο µέρος του έχει κατασκευαστεί στο Πανεπιστήµιο µας. Το σύστηµα µπορεί να έχει περιβαλλοντικές και παραγωγικές εφαρµογές. 26

14 Παραδείγµατα Ερευνητικών ραστηριοτήτων (συνέχεια): 4) Χειρισµός υπερ-εύκαµπτων εύκαµπτων υλικών σε µορφή φύλλου µε ροµπότ: Ερευνητικό πρόγραµµα της Γενικής Γραµµατείας Έρευνας και Τεχνολογίας µε συµµετοχή άλλων 3 εργαστηρίων από Ελληνικά Πανεπιστήµια. Σκοπός του εν λόγω ερευνητικού προγράµµατος* είναι η ανάπτυξη ενός συστήµατος για το ροµποτικό χειρισµό υπερ-εύκαµπτων υλικών σε µορφή φύλλου. Στα πλαίσια του προγράµµατος αυτού απαιτήθηκε η λύση προβληµάτων σχετικών µε την ανακατασκευή αντικειµένων, την εκτίµηση βάθους σκηνής, και την εκτίµηση κίνησης, βασικών προβληµάτων της υπολογιστικής όρασης. 27 Παραδείγµατα Ερευνητικών ραστηριοτήτων (συνέχεια): 5) SmartEN Smart Management for Sustainable Human Environment: Ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραµµα µε συµµετοχή 12 εργαστηρίων από Πανεπιστήµια και Ινστιτούτα όλης της Ευρώπης Σκοπός του προγράµµατος είναι η «έξυπνη» διαχείριση του περιβάλλοντος και των µεγάλων ανθρώπινων κατασκευών. Με τη βοήθεια µικρών ασύρµατων αισθητήρων διαφόρων τύπων παρακολουθούνται διαρκώς και σε πραγµατικό χρόνο διάφορες παράµετροι του περιβάλλοντος (ή της κατασκευής). Αυτές οι παράµετροι βοηθούν στην ανάλυση της δυναµικής συµπεριφοράς του και στη λήψη των κατάλληλων αποφάσεων που να διασφαλίζουν τη βιωσιµότητά του. 28

15 Ερευνητική ραστηριότητα Τα µέλη του εργαστηρίου έχουν συνεχή παρουσία στη διεθνή επιστηµονική κοινότητα µε: ηµοσιεύσεις σε έγκριτα επιστηµονικά και τεχνικά περιοδικά Παρουσιάσεις σε διεθνή επιστηµονικά συνέδρια ιεθνή διπλώµατα ευρεσιτεχνίας Συµµετοχή σε Ελληνικές και Ευρωπαϊκές επιτροπές αξιολόγησης Συµµετοχή σε συντακτικές επιτροπές κορυφαίων περιοδικών και σε επιτροπές οργάνωσης συνεδρίων και επιστηµονικών συναντήσεων Συµµετοχή σε ικανό αριθµό Ευρωπαϊκών, Ελληνικών και διµερών προγραµµάτων έρευνας και ανάπτυξης. 29