Detail předmětu

Signály a systémy (v angličtině)

FIT-ISSeAk. rok: 2023/2024

Spojité a diskrétní signály, diskrétní a spojité systémy. Konvoluce. Spektrální analýza spojitých signálů - Fourierova řada (FŘ), Fourierova transformace (FT). Systémy se spojitým časem. Vzorkování a rekonstrukce. Diskrétní signály a jejich frekvenční analýza - Diskrétní Fourierova řada (DFŘ), Fourierova transformace s diskrétním časem (DTFT). Diskrétní systémy. Dvourozměrné (2D) signály a systémy. Náhodné signály.

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

6

Garant předmětu

prof. Dr. Ing. Jan Černocký

Zajišťuje ústav

Ústav počítačové grafiky a multimédií (UPGM)

Vstupní znalosti

základní znalosti matematiky a statistiky.

Pravidla hodnocení a ukončení předmětu

  • Půlsemestrální zkouška, povolena veškerá literatura, 20b.
  • Odevzdání projektu - 20b.
  • Závěrečná zkouška - 60b, bez literatury, k disposici bude seznam základních rovnic.
  • Hranice pro úspěšnou zkoušku podle pravidel ECTS - 50 bodů.

  • Účast v počítačových cvičeních není kontrolovaná, ale aktivní účast a předvedení výsledků každého cvičení je hodnocena 2 body.
  • Skupiny v počítačových laboratořích jsou organizovány na základě zapisování do rozvrhových oken.

Učební cíle

Seznámit se s teorií signálů a lineárních systémů se spojitým a s diskrétním časem, a s teorií náhodných signálů. Předmět klade důraz na spektrální analýzu a lineární filtraci jako dva základní bloky moderních komunikačních systémů.
Studenti si osvojí základní teoretické znalosti v oblasti popisu a analýzy spojitých a diskrétních signálů a lineárních systémů. Získají rovněž praktické dovednosti při analýze a filtraci signálů v prostředí MATLAB.
Studenti si prohloubí znalosti matematiky a statistiky a aplikují je na reálné problémy zpracování signálů. Během kursu získají důkladné znalosti matematického a vizualizačního SW Matlab.

Prerekvizity a korekvizity

Doporučená literatura

http://www.fit.vutbr.cz/~ihubeika/ISS/.en
Oppenheim A.V., Wilski A.S.: Signals and systems, Prentice Hall, 1997
Jan, J., Kozumplík, J.: Systémy, procesy a signály. Skriptum VUT v Brně, VUTIUM, 2000.
Jan J.: Číslicová filtrace, analýza a restaurace signálů, VUT v Brně, VUTIUM, 2002, ISBN 80-214-1558-4.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program IT-BC-1H bakalářský

    specializace BCH , libovolný ročník, zimní semestr, doporučený

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. Dr. Ing. Jan Černocký

Osnova

  1. Úvod, motivace, organisační členění kursu. Příklady systémů pro zpracování signálů v praxi. Základní klasifikace signálů - spojitý/diskrétní čas, periodický/neperiodický. Transformace času.
  2. Spojité a diskrétní periodické signály: sinusovky a komplexní exponenciály. Přehled nutných znalostí o komplexních číslech. Diskrétní a spojité systémy. Lineární časově invariantní systémy (LTI). Representace signálů jako sledu impulsů, konvoluce. Popis systémů diferenciálními a diferenčními rovnicemi.
  3. Spojité signály a jejich frekvenční popis: periodické - Fourierova řada (FŘ), koeficienty. Neperiodické - Fourierova transformace (FT), spektrální funkce. Spektra typických signálů. Energie signálu - Parsevalův teorém.
  4. Spojité systémy - Laplaceova transformace, přenosová funkce, frekvenční charakteristika, stabilita. Příklad na jednoduchém analogovém obvodu.
  5. Vzorkování a rekonstrukce - ideální vzorkování, aliasing, vzorkovací teorém. Spektrum vzorkovaného signálu, ideální rekonstrukce. Normovaný čas a frekvence. Kvantování.
  6. Diskrétní signály a jejich frekvenční analýza - Diskrétní Fourierova řada (DFŘ), Fourierova transformace s diskrétním časem (DTFT). Kruhová konvoluce.
  7. Diskrétní Fourierova transformace (DFT) a co s ní vlastně spočítáme. Rychlá Fourierova transformace.
  8. Diskrétní systémy - z-transformace, systémy s konečnou a nekonečnou impulsní odezvou (FIR a IIR), přenosová funkce, frekvenční charakteristika, stabilita. Příklad číslicového filtru: MATLAB a C.
  9. Pokračování diskrétních systémů: návrh jednoduchých číslicových filtrů, vzorkování frekvenční charakteristiky, okna. Souvislost mezi systémy se spojitým a s diskrétním časem.
  10. Dvourozměrné (2D) signály a systémy: prostorová frekvence, spektrální analýza (2D-Fourierova transformace), filtrování maskou. Příklad - JPEG.
  11. Náhodné signály - náhodná proměnná, realizace, distribuční funkce, funkce hustoty rozdělení pravděpodobnosti (PDF). Stacionarita a ergodicita. Parametry náhodného signálu: střední hodnota, atd. a jejich odhad - souborový, časový.
  12. Náhodné signály - pokračování: Korelační funkce, spektrální hustota výkonu. Průchod náhodných signálů LTI systémy.
  13. Souhrn a opakování základních poznatků, systematické členění znalostí o signálech. Příklady.

Cvičení na počítači

12 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. Dr. Ing. Jan Černocký

Osnova

  1. Generování a zobrazování signálů se spojitým a diskrétním časem v MATLABu.
  2. Sinusovky a komplexní exponenciály. Konvoluce.
  3. Fourierova analýza spojitého signálu: 1) ručně, 2) manuálním generováním funkcí e^(j2pift), 3) funkcemi MATLABu (+jejich omezení).
  4. Jednoduchý LTI systém, obrazový popis, zpracování signálů tímto systémem. Srovnání reakce s frekvenční charakteristikou.
  5. DFŘ a DTFT - ručně a pomocí funkcí MATLABu. Výpočet spektra signálu se spojitým časem pomocí DFT.
  6. Systémy s diskrétním časem - filtrování. Jednoduchý návrh filtru, frekvenční charakteristika, póly a nuly, stabilita. Vliv kvantování parametrů.

Projekt

14 hod., povinná

Vyučující / Lektor

prof. Dr. Ing. Jan Černocký

Osnova

Individuální projekt - Příprava:
  1. Vzorkování - aliasing. Generování vzorkovaného signálu s určitou frekvencí. Převzorkování - demonstrace aliasingu.
  2. Náhodné signály - generování, souborový a časový odhad parametrů, odhad F(x) a p(x) pomocí histogramu.
  3. Náhodné signály - korelace, spektrální hustota výkonu, průchod filtrem.
Vlastní projekt bude spočívat v práci se dodaným a vlastním signálem, výsledky budou odevzdávány pomocí WIS.