Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Σχετικά έγγραφα
ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. Ενότητα : ΤΑΧΥΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER

FFT. εκέµβριος 2005 ΨΕΣ 1

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Kεφάλαιο 5 DFT- FFT ΔΙΑΚΡΙΤΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER DISCRETE FOURIER TRANSFORM 1/ 80. ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΟΣ DFT-FFT Σ.

DFT ιακριτός µετ/σµός Fourier Discrete Fourier Transform

ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ Κυκλική Συνέλιξη. Εµµανουήλ Ζ. Ψαράκης Πολυτεχνική Σχολή Τµήµα Μηχανικών Η/Υ & Πληροφορικής

Kεφάλαιο 5 DFT- FFT ΔΙΑΚΡΙΤΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER DISCRETE FOURIER TRANSFORM ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΟΣ DFT-FFT. Σ.

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΑΝΑΛΥΣΗ FOURIER ΔΙΑΚΡΙΤΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. DTFT και Περιοδική/Κυκλική Συνέλιξη

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών Σημάτων. Διάλεξη 22: Γρήγορος Μετασχηματισμός Fourier Ανάλυση σημάτων/συστημάτων με το ΔΜΦ

Σήματα και Συστήματα ΙΙ

FFT. Θα επικεντρωθούμε στο ΔΜΦ αλλά όλα ισχύουν και για τον

1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΟ MATLAB... 13

20-Φεβ-2009 ΗΜΥ Διακριτός Μετασχηματισμός Fourier

ΛΥΣΕΙΣ ΑΣΚΗΣΕΩΝ ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗΣ ΠΕΡΙΟ ΟΥ ΙΟΥΝΙΟΥ 2004., η οποία όµως µπορεί να γραφεί µε την παρακάτω µορφή: 1 e

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών Σημάτων. Διάλεξη 20: Διακριτός Μετασχηματισμός Fourier (Discrete Fourier Transform DFT)

Διακριτός Μετασχηματισμός Fourier

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΔΙΑΚΡΙΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ

Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας. Ακαδημαϊκό Έτος Παρουσίαση Νο. 2. Δισδιάστατα Σήματα και Συστήματα #1

ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΤΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ FOURIER

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 13: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Laplace. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Μετασχηµατισµός FOURIER ιακριτού χρόνου DTFT

H ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΟΣ. στις τηλεπικοινωνίες

Εισαγωγή στις Τηλεπικοινωνίες. Δομή της παρουσίασης

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Fast Fourier Transform

Γραμμικά Χρονικά Αμετάβλητα Συστήματα. Ψ.Ε.Σ.Ε. Σ. Θεοδωρίδης 1

Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας. Ακαδημαϊκό Έτος Παρουσίαση Νο. 2. Δισδιάστατα Σήματα και Συστήματα #1

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 1: Σήματα Συνεχούς Χρόνου. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

12 ο ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

Ο μετασχηματισμός Fourier

Επαναληπτικές Ασκήσεις για το µάθηµα Ψηφιακή Επεξεργασία Σηµάτων

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 9: Μελέτη ΓΧΑ Συστημάτων με τον Μετασχηματισμό Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Αντίστροφος Μετασχηματισμός Ζ. Υλοποίηση συστημάτων Διακριτού Χρόνου. Σχεδίαση φίλτρων

ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER ΑΝΑΛΥΣΗ FOURIER ΔΙΑΚΡΙΤΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ. Διακριτός Μετασχηματισμός Fourier DFT

Α. Αιτιολογήστε αν είναι γραμμικά ή όχι και χρονικά αμετάβλητα ή όχι.

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Α ΓΥΜΝΑΣΙΟΥ

(CLR, κεφάλαιο 32) Στην ενότητα αυτή θα µελετηθούν τα εξής θέµατα: Παραστάσεις πολυωνύµων Πολυωνυµική Παρεµβολή ιακριτός Μετασχηµατισµός Fourier

11 ο ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ

3. Δίνεται ψηφιακό σύστημα που περιγράφεται από τη σχέση. y[n] = x[n]-2x[n-1] y[n] = x[n]-2x[1-n]

Σήματα και Συστήματα

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 5: Γραφική Μέθοδος Υπολογισμού του Συνελικτικού Ολοκληρώματος. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

27/4/2009. Για την υλοποίηση τέτοιων αλγορίθμων επεξεργασίας απαιτείται η χρήση μνήμης. T η περίοδος δειγματοληψίας. Επίκ. Καθηγητής.

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών. στο χώρο της συχνότητας

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Ενότητα 3: ΣΥΝΕΛΙΞΗ

Ψηφιακή Επεξεργασία και Ανάλυση Εικόνας Ενότητα 2 η : Δισδιάστατα Σήματα & Συστήματα Μέρος 1

ΤΕΙ ΗΠΕΙΡΟΥ ΣΧΟΛΗ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΤΗΛΕΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΚΑΙ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ

Μετασχηµατισµός Ζ (z-tranform)

Εξεταστική Ιανουαρίου 2007 Μάθηµα: «Σήµατα και Συστήµατα»

ιακριτός Μετασχηµατισµός

Διάλεξη 6. Fourier Ανάλυση Σημάτων. (Επανάληψη Κεφ Κεφ. 10.3, ) Ανάλυση σημάτων. Τι πρέπει να προσέξουμε

6-Μαρτ-2009 ΗΜΥ Μετασχηματισμός z

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. Ενότητα : ΔΙΑΚΡΙΤΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ FOURIER

3-Μαρτ-2009 ΗΜΥ Γρήγορος Μετασχηματισμός Fourier Εφαρμογές

13-Φεβ-2009 ΗΜΥ Γραμμικά συστήματα και Συνέλιξη

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 6: Ανάλυση Σημάτων σε Ανάπτυγμα Σειράς Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Discrete Fourier Transforms

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 7: Μετασχηματισμός Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Εισαγωγή στην Επεξεργασία Σήματος. Νόκας Γιώργος

Ο Μετασχηματισμός Ζ. Ανάλυση συστημάτων με το μετασχηματισμό Ζ

x[n] = e u[n 1] 4 x[n] = u[n 1] 4 X(z) = z 1 H(z) = (1 0.5z 1 )(1 + 4z 2 ) z 2 (βʹ) H(z) = H min (z)h lin (z) 4 z 1 1 z 1 (z 1 4 )(z 1) (1)

y[n] ay[n 1] = x[n] + βx[n 1] (6)

Παρουσίαση του μαθήματος

Ο μετασχηματισμός Fourier

ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΗ ΕΞΕΤΑΣΗ (14/9/2012)

Actual Chip Specification

Στοχαστικές Μέθοδοι στους Υδατικούς Πόρους Φασματική ανάλυση χρονοσειρών

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΣΗΜΑΤΑ & ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ. Ενότητα : ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Ζ (ΖTransform)

Ψηφιακά Φίλτρα. Κυριακίδης Ιωάννης 2011

ΑΝΑΠΤΥΓΜΑ ΣΕ ΣΕΙΡΑ FOURIER - ΣΕΙΡΑ FOURIER

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 2: Στοιχειώδη Σήματα Συνεχούς Χρόνου. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

20-Μαρ-2009 ΗΜΥ Φίλτρα απόκρισης πεπερασμένου παλμού (FIR)

Διάλεξη 2. Συστήματα Εξισώσεων Διαφορών ΔιακριτάΣήματαστοΧώροτης Συχνότητας

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 8: Ιδιότητες του Μετασχηματισμού Fourier. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Μεταπτυχιακό Πρόγραμμα «Γεωχωρικές Τεχνολογίες» Ψηφιακή Επεξεργασία Εικόνας. Εισηγητής Αναστάσιος Κεσίδης

4.2 ΕΥΚΛΕΙΔΕΙΑ ΔΙΑΙΡΕΣΗ

Σήματα και Συστήματα. Διάλεξη 10: Γραμμικά Φίλτρα. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Διακριτός μετασχηματισμός Fourier

Συστήµατα τα οποία χαρακτηρίζονται από γραµµικές εξισώσεις διαφορών µε σταθερούς συντελεστές

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

1) Να σχεδιαστούν στο matlab οι γραφικές παραστάσεις των παρακάτω ακολουθιών στο διάστημα, χρησιμοποιώντας τις συναρτήσεις delta και step.

Χόρδισμα Οργάνων με την μέθοδο των Zero Crossings

17-Φεβ-2009 ΗΜΥ Ιδιότητες Συνέλιξης Συσχέτιση

Ιατρικά Ηλεκτρονικά. Δρ. Π. Ασβεστάς Εργαστήριο Επεξεργασίας Ιατρικού Σήματος & Εικόνας Τμήμα Τεχνολογίας Ιατρικών Οργάνων

Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύ

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ z

Ενότητα 4: Φιλτράρισµα στο Πεδίο Συχνοτήτων (ΙΙ)

ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΟΣ ΑΣΚΗΣΗ 5

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων

Στοιχεία επεξεργασίας σημάτων

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Τμήμα Πληροφορικής & Επικοινωνιών Σήματα και Συστήματα

Σύντομη Αναφορά σε Βασικές Έννοιες Ψηφιακής Επεξεργασίας Σημάτων

HMY 429: Εισαγωγή στην Επεξεργασία Ψηφιακών

Συστήματα Αυτόματου Ελέγχου

Θεωρία Πληροφορίας. Διάλεξη 4: Διακριτή πηγή πληροφορίας χωρίς μνήμη. Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής

Transcript:

Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων Ενότητα 11: Εφαρμογές DFT Ταχύς Μετασχηματισμός Fourier (FFT) Δρ. Μιχάλης Παρασκευάς Επίκουρος Καθηγητής 1

Διακριτός Μετασχηματισμός Fourier Υπολογισμός Γραμμικής Συνέλιξης με DFT Μέθοδος Επικάλυψης Πρόσθεσης (overlap-add) Μέθοδος Επικάλυψης Κράτησης (overlap-save) Γρήγορος Μετασχηματισμός Fourier (FFT)

Υπολογισμός Γραμμικής Συνέλιξης με DFT Χρήση DFT για υπολογισμό συνέλιξης y n = x n h(n) όταν οι ακολουθίες x n και h n έχουν μήκος N 1 και N, αντίστοιχα. Βήματα: 1. Προσθέτουμε μηδενικά στις ακολουθίες x n και h n, έτσι ώστε να έχουν το ίδιο μήκος N N 1 + N 1.. Υπολογίζουμε τους DFT Ν-σημείων X k και H k των x n και h n. 3. Πολλαπλασιάζουμε τους DFT και βρίσκουμε Y k = X k H k. 4. Υπολογίζοντας τον αντίστροφο DFT της Y k, προκύπτει η συνέλιξη y n. Όταν το μήκος N 1 του x n είναι πολύ μεγάλο, τότε το x n διαμοιράζεται σε τμήματα. Κάθε τμήμα φιλτράρεται με ένα φίλτρο FIR με απόκριση h n. Tα φιλτραρισμένα τμήματα συνδυάζονται ώστε να προκύψει η y n. Τεχνικές τμηματικής εκτέλεσης (block convolution) της συνέλιξης Επικάλυψης πρόσθεσης (overlap-add) Επικάλυψης κράτησης (overlap-save) 3

Μέθοδος Επικάλυψης Πρόσθεσης (overlap-add) h(n) κρουστική απόκριση μήκους L ενός FIR φίλτρου και x n ακολουθία εισόδου μήκους μεγαλύτερου του L. Η έξοδος του φίλτρου είναι y n = x n h n = σ L 1 k=0 h k x n k. Διαιρούμε την x n σε μη-επικαλυπτόμενες υπο-ακολουθίες μήκους Μ. δηλ: x n + Mi n = 0,1,, M 1 x i n = ቊ 0 αλλού Η έξοδος y n του φίλτρου είναι: y n = σ i=0 x i n Mi h n = σ i=0 y i n Mi, όπου y i n = x i n h n Κάθε ακολουθία y i n μπορεί εύκολα να υπολογιστεί με DFT Ν-σημείων των x i n και h n. Μήκος ακολουθίας y i n : N=L+M-1 Οι ακολουθίες y i n και y i+1 n επικαλύπτονται σε (Ν-Μ) σημεία και τα επικαλυπτόμενα σημεία προστίθενται. 4

Μέθοδος Επικάλυψης Κράτησης (overlap-save) 0 0 n < L 1 1. Έστω x 1 n = ቊ x n L + 1 L 1 n N 1. Υπολογίζουμε την κυκλική συνέλιξη Ν-σημείων μεταξύ x 1 n και h n και σχηματίζουμε το γινόμενο Y 1 k = X 1 k H(k). 3. Με αντίστροφο DFT Ν-σημείων λαμβάνουμε το y 1 n. Οι πρώτες L-1 τιμές της κυκλικής συνέλιξης επικαλύπτονται, και οι M=N-L+1 τελευταίες τιμές αντιστοιχούν στη γραμμική συνέλιξη x 1 n h(n). 4. Οι τελευταίες N-L+1 τιμές της y 1 n είναι οι πρώτες N-L+1 τιμές της y n, δηλ. y n = y 1 n + L 1, 0 n < L 1 5. Έστω x n ακολουθία Ν-σημείων που εξάγεται από την x n με τις L-1 πρώτες τιμές της να επικαλύπτονται με εκείνες της x 1 n. 6. Εκτελούμε τα βήματα και 3 και λαμβάνουμε την y n. 7. Oι πρώτες L-1 τιμές της y n απορρίπτονται και οι τελευταίες N-L+1 κρατούνται και συγκεντρώνονται με τις τιμές της y 1 n που έχουν κρατηθεί, δηλ.: y n + N L + 1 = y n + L 1, 0 n < L 1 8. Επαναλαμβάνουμε τα βήματα 5, 6, 7 μέχρι να υπολογιστούν όλες οι τιμές της γραμμικής συνέλιξης. 5

Γρήγορος Μετασχηματισμός Fourier (FFT) Ο DFT Ν-σημείων, μίας ακολουθίας x(n) Ν-σημείων, είναι: X k N 1 nk = x(n) W N n=0 Υπολογιστικό κόστος DFT Ν-σημείων: N μιγαδικοί πολλαπλασιασμοί και προσθέσεις Στρατηγική FFT: Ανάλυση του DFT Ν-σημείων σε διαδοχικά μικρότερους μετασχηματισμούς. Αν Ν άρτιο, τότε η x(n) μπορεί να διαιρεθεί σε δύο ακολουθίες μήκους Ν/, oι DFT των οποίων απαιτούν ( N ) πράξεις ο καθένας, άρα συνολικά ( N ) +( N ) = Ν. Αν Ν δύναμη του (radix-), τότε πλήθος πράξεων N log N Διαθέσιμες Τεχνικές FFT Διαίρεση στο Χρόνο (Decimation in Time) Διαίρεση στη Συχνότητα (Decimation in Frequency) 6

Αλγόριθμος FFT Διαίρεσης στο Χρόνο Μία x(n) ακολουθία μήκους Ν = ν υποδιαιρείται σε g n = x n και h n = x n + 1, n = 0,1, N 1. DFT: X k = σ N 1 n=0 x(n) W nk N = = σ 1 l=0 g l WN lk + W k N σ 1 l=0 h(l) WN Επομένως X k = G k + W N k H k, k = 0,1,, N 1, δηλ. ο DFT Ν-σημείων της x(n) ισούται με το άθροισμα των DFT Ν/ σημείων των g n και h n. Οι μιγαδικοί όροι W N k ονομάζονται παράγοντες αναδιάταξης. N N lk 7

Αλγόριθμος FFT Διαίρεσης στη Συχνότητα Για μία x(n) ακολουθία μήκους Ν = ν και DFT Ν-σημείων, αποδεικνύεται ότι: Άρτια δείγματα DFT X k = σ 1 n=0 x n + x n + N N nk WN Περιττά δείγματα DFT X k + 1 = σ 1 n=0 W n N x n x n + N N nk WN 8

Πλήρεις Αλγόριθμοι FFT με Βάση το Πλήρης αλγόριθμος FFT διαίρεσης στο χρόνο, 8 σημείων με βάση το 9

Πλήρεις Αλγόριθμοι FFT με Βάση το Πλήρης αλγόριθμος FFT διαίρεσης στη συχνότητα, 8 σημείων με βάση το 10

Άσκηση 1 Έστω ότι για έναν πολλαπλασιασμό απαιτείται χρόνος 1 μs και ότι ο συνολικός χρόνος εκτέλεσης του DFT προσδιορίζεται από το χρόνο υπολογισμού όλων των πολλαπλασιασμών. (α) Πόσος χρόνος θα απαιτηθεί για τον απευθείας υπολογισμό ενός DFT 104 σημείων; (β) Πόσος χρόνος θα απαιτηθεί αν χρησιμοποιήσουμε αλγόριθμό FFT; (γ) Ομοίως τα (α) και (β) για DFT 4096-σημείων Απάντηση (α) Πλήθος μιγαδικών πολλαπλασιασμών: N Χρόνος DFT-104 σημείων t DFT = 104. 10 6 sec 1.05 sec (β) Πλήθος μιγαδικών πολλαπλασιασμών για radix- FFT: Χρόνος FFT-104 σημείων t FFT = 510. 10 6 sec = 5,1 ms N log N (γ) t DFT = 4096. 10 6 sec = 16.78 sec t FFT = 4096 log(4096). 10 6 sec = 4.576. 10 6 sec = 4,576 ms 11