Detail předmětu

Číslicové filtry

FEKT-BCIFAk. rok: 2017/2018

Předmět postihuje celou šíři číslicového zpracování signálů od implementace číslicových systémů v reálném čase, přes metody analýzy jednorozměrných číslicových systémů až po základní metody návrhu jednorozměrných číslicových filtrů: používané formáty pro vyjádření čísel, aritmetika v pohyblivé a pevné řádové čárce, harvardská architektura signálových procesorů, architektura s velmi dlouhým instrukčním slovem (VLIW), zápis programů v a jazyce C (příkazy preprocesoru, intrinsic funkce, implementačně závislé funkce); vlastnosti číslicových systémů (přenosová funkce, impulsní charakteristika, kmitočtová charakteristika), stabilita a kauzalita číslicových systémů, číslicové systémy s konečnou a nekonečnou impulsní charakteristikou, struktury implementace číslicových systémů, graf signálových toků, vliv kvantování na vlastnosti číslicových systémů; metody návrhu jednorozměrných číslicových filtrů, systémy s více vzorkovacími kmitočty, banky filtrů.

Výsledky učení předmětu

Absolvent předmětu bude schopen:
- vysvětlit význam jednotlivých parametrů mikroprocesorů a signálových procesorů
- vysvětlit průběh překladu oddělených zdrojových souborů jazyka C včetně linkování s dalšími knihovnami
- vysvětlit význam intrinsic funkcí a využít je ve svých programech
- vysvětlit použití vyrovnávací a dvojité vyrovnávací paměti a využít ji ve svých programech
- vysvětlit rozdíl mezi vnitřním a vnějším popisem číslicového systému
- zařadit číslicový systém mezi FIR nebo IIR systémy
- zkontrolovat stabilitu číslicového systému
- připravit kvantované koeficienty číslicového systému pro implementaci
- přeformulovat jednu kanonickou strukturu na jinou
- vysvětlit různé typy adresování: lineární, modulo, bitově reverzované
- vysvětlit princip metod pro návrh FIR a IIR filtrů
- aplikovat metody pro návrh FIR filtrů a IIR filtrů podle zadaného tolerančního schématu
- vysvětlit princip adaptivních filtrů
- aplikovat podvzorkování nebo nadvzorkování v poměru racionálního čísla
- vysvětlit princip banky filtrů

Prerekvizity

Jsou požadovány základní znalosti z oblasti číslicového zpracování signálů (vzorkování, reprezentace signálů s diskrétním časem, popis systémů s diskrétním časem, apod.) a mikroprocesorové techniky (principy mikroprocesorů, typy pamětí, zpracování programu, základy tvorby softwarového vybavení v jazyce C, apod.). Student by měl být schopen: - popsat funkce základních bloků mikroprocesorového systému (procesor, paměť, vstupně/výstupní obvody, atd.) - vysvětlit základní příkazy jazyka ANSI C - aplikovat základní příkazy jazyka ANSI C a implementovat jednoduchý program - vysvětlit průběh vzorkování spojitého signálu - vysvětlit význam kmitočtové charakteristiky systému - vysvětlit význam stability systému - vysvětlit různé číselné soustavy - vypočítat binární vyjádření čísla Vhodnými kurzy, ve kterých lze uvedené znalosti získat, jsou povinné a volitelné kurzy oboru Teleinformatika nebo jejich obdoby: - Počítače a programování (BPC2), - Analýza signálů a soustav (BASS), - Digitální obvody a mikroprocesory (BDOM), - Číslicové zpracování signálů (BCZS).

Doporučená nebo povinná literatura

VÍCH,R., SMÉKAL,Z.: Číslicové filtry. Academia, Praha 2000. ISBN 80-200-0761-X (In Czech) (CS)
MITRA S.K, KAISER J.F.: Handbook for Digital Signal Processing, John Wiley & Sons, New York, 1993. (EN)
SYSEL, P.; SMÉKAL, Z.: Číslicové filtry. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2012. s. 145. ISBN 978-80-214-4454-6 (CS)
SMÉKAL, Z.; SYSEL, P.: Signálové procesory. 1. vydání. Praha: Sdělovací technika, 2006. 283 s. ISBN 80-86645-08-8 (CS)
PROAKIS, J. G.;MANOLAKIS, D. G.:Digital Signal Processing. Prentice Hall: New Jersey, 1996. 3 edition. 966 p. ISBN 0-13-373762-4 (EN)

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování závisejí na způsobu výuky a jsou popsány článkem 7 Studijního a zkušebního řádu VUT.
Přednášky mají charakter výkladu základních principů, metodologie dané disciplíny, problémů a jejich řešení.
Laboratorní cvičení probíhají na vývojových kitech se signálovými procesory a v prostředí Matlab.

Způsob a kritéria hodnocení

Hodnocení se řídí Studijním a zkušebním řádem VUT a Směrnicí děkana FEKT doplňující studijní a zkušební řád VUT.
2 testy ze cvičení max. 20 bodů
Samostatný projekt max. 20 bodů
Písemná zkouška max. 60 bodů

Jazyk výuky

čeština

Osnovy výuky

1. Technické prostředky pro realizaci číslicových systémů, Von-Neumannova architektura mikrokontrolérů, harvardská architektura signálových procesorů, generace signálových procesorů, rozhraní pro ladění v reálném čase.
2. Tvorba softwarového vybavení, použití jazyka C, průběh překladu, příkazy preprocesoru, vestavěné funkce intrinsic, sestavování programu, jazyk symbolických adres, propojení s jazykem C.
3. Vnější , diferenční rovnice, přenosová funkce, nulové body, póly, základní vlastnosti číslicových systémů, kmitočtová charakteristika, impulsní charakteristika, stabilita.
4. Vnitřní popis číslicových systémů, graf signálových toků, Masonovo pravidlo, analýza vlivu kvantování na vlastnosti číslicových filtrů.
5. Aritmetika v pohyblivé řádové čárce, aritmetika v pevné řádové čárce, dynamický rozsah, saturace, kvantovací šum, mezní cykly.
6. Struktury realizace číslicových systémů, kanonické formy realizace, rozdělení číslicových systémů, realizace číslicových systémů s konečnou a nekonečnou impulsní charakteristikou.
7. Metody návrhu číslicových filtrů s konečnou impulsní charakteristikou: metoda váhové posloupnosti, metoda vzorkování kmitočtové charakteristiky, metoda rovnoměrně zvlněných aproximací, Remezův algoritmus.
8. Metody návrhu číslicových filtrů s nekonečnou impulsní charakteristikou: metoda bilineární transformace, metoda impulsní invariance. Rozdělení na sekce 2. řádu.
9. Inverzní filtrace, optimální Wienerova filtrace, Wiener-Hopfova rovnice. Adaptivní filtry, algoritmus LMS, algoritmus RLS, vlastnosti a použití adaptivních filtrů.
10. Systémy se změnou vzorkovacího kmitočtu, podvzorkování a nadvzorkování v poměru celého čísla, převzorkování v poměru racionálně lomeného čísla, polyfázová realizace číslicových filtrů.
11. Banky filtrů, DFT banka filtrů, banka filtrů modulovaná funkcí kosinus, dvoukanálová banka filtrů, podmínky dokonalé rekonstrukce, kvadraturní zrcadlové filtry.
12. Úvod do nelineárních systémů, rozdělení, homomorfní filtrace.

Cíl

Prohloubit základní znalosti z oblasti číslicového zpracování signálů získané v předchozích předmětech. Seznámit s principy implementace číslicových systémů v technických prostředcích (v signálových procesorech i v procesorech pro všeobecné použití). Seznámit s tvorbou softwarového vybavení pro signálové procesory v jazyce C. Seznámit s rozdíly a problémy implementace metod číslicového zpracování signálů v pohyblivé a v pevné řádové čárce. Seznámit s metodami návrhu číslicových filtrů.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Účast na přednáškách je nepovinná.
Účast na počítačových cvičení je povinná.
Odevzdání samostatného projektu je povinné.
Závěrečná písemná zkouška je povinná.

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program EEKR-B bakalářský

    obor B-TLI , 3. ročník, letní semestr, 6 kreditů, volitelný oborový

  • Program EEKR-CZV celoživotní vzdělávání (není studentem)

    obor ET-CZV , 1. ročník, letní semestr, 6 kreditů, volitelný oborový

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

Laboratorní cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor