Podstawy i algorytmy przetwarzania sygnałów

Podstawowa wiedza z analizy i statystyki matematycznej, znajomość MS Word oraz MS Excel

przedmiot obowiązkowy

Godziny realizowane z udziałem nauczycieli: (75 godz.)

- udział w wykładach - 30 h,

- udział w laboratoriach - 30 h,

- konsultacje - 15 h.

Czas poświęcony na indywidualną pracę studenta: (75 godz.)

- przygotowanie do laboratorium: 35 h,

- przygotowanie do sprawdzianów i egzaminu: 40 h.

Łącznie: 150 h (6 ECTS)

W1: Ma wiedzę z zakresu podstawowych charakterystyk i parametrów sygnałów deterministycznych i losowych - K_W02

W2: Opisuje sygnały w dziedzinie czasu i częstotliwości - K_W02

W3: Zna zasady otrzymywania cyfrowej reprezentacji sygnałów- K_W02

W4: Posiada wiedzę w zakresie tworzenia i zastosowania wybranych algorytmów przetwarzania sygnałów K_W04

U1: Potrafi wykorzystać nabytą wiedzę do tworzenia wybranych algorytmów przetwarzania sygnałów - K_U01

U2: Analizuje informacje pozyskane z różnych źródeł i dokonuje ich oceny - K_U04

U3: Realizuje proste symulacje z dziedziny przetwarzania sygnałów, interpretuje uzyskane wyniki i wyciąga wnioski - K_U06

U4: Potrafi pracować indywidualnie i w zespole oraz dotrzymywać terminów - K_U24

K1: Ma potrzebę zachowań profesjonalnych i przestrzegania zasad etyki - K_K02

K2: Ma świadomość ograniczenia swojej wiedzy - K_K06

Metoda dydaktyczna podająca:

wykład informacyjny (konwencjonalny) wzbogacony symulacjami komputerowymi

Metoda dydaktyczna poszukująca:

laboratorium: doświadczeń, laboratoryjna

- wykład informacyjny (konwencjonalny)

- doświadczeń
- laboratoryjna

Zajęcia z podstaw i algorytmów przetwarzania sygnałów mają na celu przekazanie podstawowej wiedzy z dziedziny teorii, analizy i przetwarzania sygnałów, teorii estymacji i detekcji.

Podczas zajęć studenci zapoznają się z opisem i klasyfikacją sygnałów w dziedzinie czasu i częstotliwości, głównymi i łącznymi charakterystykami sygnałów. Otrzymają wiedzę z zakresu analogowo-cyfrowego przetwarzania sygnałów. Zapoznają się z wybranymi algorytmami przetwarzania sygnałów cyfrowych, określaniem wartości średniej, średniokwadratowej, rozkładu wartości (histogramu), funkcji korelacyjnych i widmowych, metodami uśredniania sygnałów cyfrowych, koherentnym i niekoherentnym uśrednianiem sygnałów.

Stosują uśredniające metody eliminowania zakłóceń z sygnałów powtarzalnych oraz metody korelacyjne do eliminowania zakłóceń z sygnałów zdeterminowanych i losowych. Uczą się oceny błędów estymacji podstawowych parametrów oraz charakterystyk sygnałów.

Zajęcia z przedmiotu składają się z wykładu oraz ćwiczeń laboratoryjnych.

Zakres tematów wykładów:

1.Klasyfikacja sygnałów. Sygnał deterministyczny i losowy, proces losowy, ergodyczność, stacjonarność, losowa niezależność. Algorytmy stosowane do generacji sygnałów.

2.Główne i łączne charakterystyki sygnałów: parametry sygnałów, funkcje rozkładu wartości, funkcje korelacyjne i widmowe. Definicje i algorytmy stosowane do ich realizacji.

3.Podstawy estymacji i detekcji: pojęcie estymatora, błędy estymacji i ich praktyczna ocena. Wybrane metody detekcji sygnału ukrytego w szumie i odpowiadające im algorytmy.

4.Podstawowe procedury przetwarzania sygnałów: próbkowanie, kwantowanie, kwantowanie z sygnałem diherowym i uśrednianiem, kodowanie. Twierdzenie o próbkowaniu oraz twierdzenie o kwantowaniu wg Widrowa. Algorytm kwantowania zaokrąglającego stosowany w przetworniku bipolarnym.

5.Podstawowe algorytmy przetwarzania sygnałów cyfrowych: dyskretne przekształcenie Fouriera i jego modyfikacje, koherentne i niekoherentne uśrednianie sygnałów i ograniczenia w jego stosowaniu, określanie wartości średniej, średniokwadratowej, rozkładu wartości (histogram), funkcji korelacyjnych i widmowych.

Wykaz ćwiczeń laboratoryjnych:

1.Sygnały deterministyczne i losowe – opis i algorytmy stosowane do ich generacji.

2.Główne charakterystyki sygnałów – definicje, estymatory i algorytmy komputerowe stosowane do ich realizacji.

3.Łączne charakterystyki sygnałów – definicje, estymatory i algorytmy komputerowe stosowane do ich realizacji.

4.Ilustracja twierdzenia o próbkowaniu – praktyczne ograniczenia algorytmów DFT/FFT.

5.Ilustracja kwantowania sygnałów oraz kwantowania z sygnałem ditherowym – porównanie dwóch podstawowych algorytmów kwantowania.

6.Detekcja sygnału okresowego metodą uśredniania koherentnego – analiza algorytmu i jego ograniczenia, podstawowe zastosowania.

7.Detekcja sygnałów w szumie metodą autokorelacji i korelacji wzajemnej – przykłady zastosowań: pomiar parametrów sygnałów deterministycznych/ losowych w obecności losowych zakłóceń, pomiar opóźnień czasowych.

8.Błędy estymacji – kryteria oceny estymatorów i odpowiadających im algorytmów.

Literatura podstawowa:

1. Lal-Jadziak J.: Przetwarzanie sygnałów. Wybrane zagadnienia. Wydawnictwo UMK, Toruń 2020.

2. Lal-Jadziak J., Krajewski M., Sienkowski S..: Podstawy i algorytmy przetwarzania sygnałów. Ćwiczenia laboratoryjne, Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego. Zielona Góra 2009, s.116.

Literatura uzupełniająca:

1. Bendat J.S., Piersol A.G.: Random data: Analysis and measurement procedures. Wiley, New York 2010.

2. Lal-Jadziak J: Korelatory w zastosowaniach radioastronomicznych. Pom. Auto. Kontr. 11 (2014) ; 963 - 965.

3. Lal-Jadziak J: Pomiar szumu w szumie metodą korelacyjną. Przegląd Elektrotechniczny 11 (2016); 179-182.

4. Lal-Jadziak J., Sienkowski S.: Cross-correlation Function Determination by Using Deterministic and Randomized Quantization, Przegl. Elektrotech., R. 89, NR 1a, 2013, 81 – 83.

5. Lyons R.: Wprowadzenie do cyfrowego przetwarzania sygnałów. WKŁ, Warszawa 2010.

6. Zieliński T.P.: Cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Od teorii do zastosowań. WKŁ, Warszawa 2007.

Metody oceniania:

Wykład

Osiem sprawdzianów z tematyki wykładu - W1, W2, W3, W4

Egzamin pisemny (pytania otwarte/pytania zamknięte) - W1, W2, W3, W4

Laboratorium

Sprawdziany z zakresu każdego ćwiczenia laboratoryjnego - W1, W2, W3, W4

Raporty z każdego ćwiczenia laboratoryjnego U1, U2, U3, U4, K1, K2

Warunkiem zaliczenia laboratorium jest zaliczenie wszystkich ćwiczeń.

Warunkiem przystąpienia do egzaminu jest uzyskanie zaliczenia laboratorium.

Podstawą oceny z egzaminu/laboratorium jest liczba uzyskanych punktów.

Przyjmuje się następujące kryteria:

dst - od 50% maksymalnej liczby punktów

dst plus - od 60% maksymalnej liczby punktów

db - od 70% maksymalnej liczby punktów

db plus - od 80% maksymalnej liczby punktów

bdb - od 90% maksymalnej liczby punktów

nie dotyczy