ΗΜΥ 429 1. Εισαγωγή στην Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων 1
Τι είναι η Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων (ΨΕΣ); Σήματα σχήματα που κωδικοποιούν ή αντιπροσωπεύουν πληροφορίες Τα σήματα που συναντούμε στη φύση δε βρίσκονται συνήθως σε μορφή που να επιτρέπει την άμεση εξαγωγή της επιθυμητής πληροφορίας την οποία εμπεριέχουν, αφού αυτή είτε είναι αλλοιωμένη λόγω παρουσίας θορύβου είτε βρίσκεται σε μετασχηματισμένη μορφή λόγω φυσικών ή τεχνητών επιδράσεων. ΨΕΣ: τα μαθηματικά, οι αλγόριθμοι και οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία των ψηφιακών σημάτων. 2
Στόχοι της ΨΕΣ: (ι) ψηφιακήαναπαράστασητωνσημάτων (ιι) χρησιμοποίηση ψηφιακών μεθόδων επεξεργασίας για την αφαίρεση θορύβου, την ανάλυση και απομόνωση της επιθυμητής πληροφορίας, και την παρουσίασή της σε μορφή άμεσα αξιοποιήσιμα από τον τελικό αποδέκτη Εκμάθηση ΨΕΣ περιλαμβάνει: (1) γενικές ιδέες που εφαρμόζονται στο όλο πεδίο (2) εξειδικευμένες τεχνικές για συγκεκριμένες εφαρμογές Βασικές τεχνικές ΨΕΣ: συσχέτιση, συνέλιξη, φιλτράρισμα, μετασχηματισμοί, διαμόρφωση 3
Βασικά μέρη συστήματος ΨΕΣ Φίλτρο αντι-αναδίπλωσης ΔκΣ ΜΑΨ Ψηφιακός επεξεργαστής ΜΨΑ Φίλτρο ανακατασκευής Αναλογικό σήμα Ψηφιακό σήμα Αναλογικό σήμα 4
Ιστορία της ΨΕΣ Δεκαετίες 60 και 70: ανάπτυξη της τεχνολογίας integrated circuit design (μέτριας κλίμακας MSI, ευρείας κλίμακας LSI, και πολύ ευρείας κλίμακας VLSI) μικρότερα, πιο γρήγορα, πιο φθηνά και πιο ισχυρά PCs και ειδικά ψηφιακά συστήματα. Προώθηση δημιουργίας πολύπλοκων ψηφιακών κυκλωμάτων που παρέχουν τη δυνατότητα διεξαγωγής πολύπλοκης επεξεργασίας σημάτων, η οποία είναι δύσκολη / έχει ψηλό κόστος να γίνει με αναλογικά συστήματα. 5
Ανάπτυξη ΨΕΣ επηρεάστηκε από στρατιωτικές και κυβερνητικές ανάγκες 4 εφαρμογές «κλειδί»: Radar και sonar (κρατική ασφάλεια) Πετρελαιοπηγές / παραγωγή πετρελαίου (επικερδές) Εξερεύνηση διαστήματος (αναντικατάστατα δεδομένα) Ιατρικές εικόνες (διάσωση ζωών) Νέες εφαρμογές δεκαετίες 80 και 90: προώθηση από τον εμπορικό χώρο: mobiles, CDs, DVDs, ηλεκτρονικοί τηλεφωνητές κλπ. 6
Πλεονεκτήματα ΨΕΣ - Ακρίβεια προσδιορίζεται από τον αριθμό bits Τέλεια αναπαραγωγή αποτελεσμάτων δεν υπάρχουν διαφοροποιήσεις λόγω ατελειών των components στα αναλογικά συστήματα. Π.χ. Ψηφιακός ήχος Η απόδοση δεν επηρεάζεται από παράγοντες όπως χρόνος, θερμοκρασία κλπ Τεχνολογία ημιαγωγών για μεγαλύτερη αξιοπιστία, μικρότερο μέγεθος, λιγότερο κόστος, λιγότερη κατανάλωση ενέργειας, μεγαλύτερη ταχύτητα. Μεγαλύτερη ευελιξία διαφοροποίηση αλγορίθμων χωρίς διαφοροποίηση των hardware. 7
Ανώτερη απόδοση επιτρέπουν τη διεξαγωγή επεξεργασίας που δε γίνεται εύκολα με αναλογικά συστήματα, π.χ. πολύπλοκες μαθηματικές πράξεις. Σε μερικές περιπτώσεις οι πληροφορίες είναι ήδη σε ψηφιακή μορφή, άρα είναι ο μόνος τρόπος επεξεργασίας. Μεγαλύτερη ακρίβεια από αναλογικά συστήματα. Οι πληροφορίες, τα σήματα και οι αλγόριθμοι φυλάγονται εύκολα σε μαγνητική μορφή χωρίς να επηρεαστεί το σήμα. Αυτό διευκολύνει τη μεταφορά τους και την επεξεργασία σε μη-πραγματικό χρόνο και σε διαφορετική τοποθεσία. 8
Μειονεκτήματα ΨΕΣ - Ταχύτητα και κόστος τα πλείστα συστήματα ΨΕΣ δεν είναι ακόμα αρκετά γρήγορα και μπορούν να επεξεργαστούν μόνο σήματα με μέτριο bandwidth. Μπορεί να έχουν ψηλότερο κόστος, κυρίως όταν πρόκειται για ανάλυση σημάτων με ευρύ bandwidth, των οποίων η επεξεργασία πρέπει να γίνει σε πραγματικό χρόνο. Προς το παρόν, μόνο εξειδικευμένα hardware για επεξεργασία σε MHz με ψηλό κόστος. Αλλά γίνονται πιο γρήγορα. Χρόνος σχεδιασμού χρονοβόρα και μερικές φορές αδύνατο εκτός αν υπάρχουν οι κατάλληλες πηγές και γνώσεις. Για λόγους οικονομίας χρησιμοποιείται περιορισμένος αριθμός bits, το οποίο επηρεάζει την απόδοση. Δειγματοληψία στον ΜΑΨ μπορεί να επιφέρει διαστρέβλωση, αλλά μπορεί να ελεγχθεί με την επιλογή κατάλληλης συχνότητας δειγματοληψίας 9
From Ifeachor & Jervis 10
Παράδειγμα: EEG Sonification Όλοι οι ήχοι είναι από http://www.cs.colostate.edu/eeg/tones/ ΗΕΓ με 60Hz θόρυβο ΗΕΓ: νοητική αριθμητική (Ο1) ΗΕΓ: νοητική περιστροφή (Ο1) ΗΕΓ με θόρυβο κλείσιμο ματιού (Ο1) 11
Επόμενη διάλεξη (27/1): 2. (ι) Βασική στατιστική (ιι) Μετατροπές: αναλογικό-σε-ψηφιακό και ψηφιακό-σε-αναλογικό 12