Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων 1 Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων Καθ. Γιώργος Παπαδουράκης, Ph.D.

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 2 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ Ιστορική Αναδρομή Από τον Δεύτερο Παγκόσμιο Πόλεμο, ορισμένοι ηλεκτρονικοί μηχανικοί εξέταζαν την δυνατότητα εφαρμογής τεχνικών ψηφιακού λογισμικού σε τομείς όπου η επεξεργασία σημάτων έπαιζε σημαντικό ρόλο. Βέβαια, τα συμπεράσματα δεν ήταν καθόλου ευνοϊκά για την χρησιμοποίηση τους. Κόστος, μέγεθος και αξιοπιστία ήταν οι παράγοντες οι οποίοι ευνοούσαν την χρησιμοποίηση αναλογικών φίλτρων και αναλογικών τεχνικών φασματικής ανάλυσης. Το 1960 ο I.J. Gold ανέπτυξε μεθόδους για τον υπολογισμό του διακριτού μετασχηματισμού Fourier (DFT) με την χρησιμοποίηση μετασχηματισμών πινάκων. Αυτή η ανακάλυψη παρέμεινε ανεκμετάλλευτη λόγω των περιορισμένων υπολογιστικών δυνατοτήτων της εποχής εκείνης.Βέβαια, τα συμπεράσματα δεν ήταν καθόλου ευνοϊκά για την χρησιμοποίηση τους. Η Ψηφιακή Επεξεργασία Σημάτων - Digital Signal Processing (DSP) διαδόθηκε την δεκαετία του 60 με την ανάπτυξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Kaiser: σχεδιασμό και σύνθεση ψηφιακών φίλτρων

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 3 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ Ιστορική Αναδρομή Cooley-Tukey: γρήγορη μέθοδο υπολογισμού του διακριτού μετασχηματισμού Fourier (FFT) πρώτος καθαρά ψηφιακός αλγόριθμος Υλοποίηση DSP Αρχικά, η υλοποίηση των φίλτρων γινόταν με λογισμικό. υψηλό κόστος κατασκευής τους δεν επέτρεπαν την ανάπτυξη ειδικών συστημάτων με ψηφιακά φίλτρα. Τα αρχικά DSP κυκλώματα εκτελούσαν προκαθορισμένες πράξεις (Σχήμα 1.1α). ο χρήστης δεν μπορούσε να τα προγραμματίσει και έτσι δεν είχε την δυνατότητα να μεταβάλλει εξωτερικά τα χαρακτηριστικά τους. Ο μικροπρογραμματισμός έδωσε νέες προοπτικές (Σχήμα1.1β). διαλογικής επεξεργασία: ανάπτυξη πολλαπλών συναρτήσεων σύνθεση νέων. Large Scale Integration (LSI) επέτρεψε την χρήση του προγραμματισμού στα DSP κυκλώματα (Σχήμα 1.1γ)

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 4 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ Ιστορική Αναδρομή

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ Ιστορική Αναδρομή  Very Large Scale Integration (VLSI  Very High Speed Integrated Circuits (VHSIC) ανάπτυξη νέων κατανεμημένων αρχιτεκτονικών (Σχήμα 1.1δ) με επιπρόσθετες δυνατότητες. Έρευνα σε DSP  ανάπτυξη νέων, ισχυρότερων και αποδοτικότερων αλγορίθμων.  μείωση της πολυπλοκότητας  αύξηση απόδοσης  ανάπτυξη νέων τεχνικών επεξεργασίας  προσαρμοζόμενοι αλγόριθμοι  καλύτερες υλοποιήσεις φίλτρων και μετασχηματισμών.  DSP πραγματικού χρόνου: χρονική καθυστέρηση του επεξεργασμένου σήματος στην έξοδο του συστήματος δεν ξεπερνά ορισμένα θεμιτά όρια.  τηλεπικοινωνίες, συσκευές radar ή sonar, στην πλοήγηση πυραύλων

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ Ιστορική Αναδρομή ανάπτυξη ειδικών DSP μικροεπεξεργαστών μεγάλη ταχύτητα, χαμηλό κόστος.  Texas Instrument: TMS320 οικογένεια  Analog Devices: ADSP2100 οικογένεια  Motorola: DSP56000 οικογένεια  Συστήματα τα οποία δεν χρειάζονται επεξεργασία σε πραγματικό χρόνο:  δορυφορικές εικόνες, εικόνες τομογραφίας, ηχητικά σήματα για την ανεύρεση κοιτασμάτων πετρελαίου

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 7 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ Εφαρμογές Επεξεργασία Εικόνας Αναγνώριση προτύπων Ρομποτική όραση Τονισμός εικόνας (Image enhancement) FAX Δορυφορικές εικόνες καιρού Δυναμική κίνηση ομοιωμάτων (animation) Όργανα - Έλεγχος Φασματική ανάλυση Έλεγχος θέσης και ταχύτητας Ελάττωση θορύβου Συμπίεση δεδομένων Ομιλία – Ήχος Αναγνώριση Ομιλίας Σύνθεση Ομιλίας Από κείμενο σε ομιλία Ψηφιακή Ηχητική Εξίσωση σημάτων (equalization)

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ Εφαρμογές Στρατιωτικές Εφαρμογές Ασφάλεια επικοινωνιών Επεξεργασία σημάτων radar Επεξεργασία ηχοβολιστικών (sonar) σημάτων Καθοδήγηση πυραύλων Τηλεπικοινωνίες Διαγραφή Ηχώ Προσαρμοζόμενη εξίσωση ADPCM transcoders Ευρύ φάσμα Τηλεδιάσκεψη Δορυφορικές Επικοινωνίες Επικοινωνία δεδομένων Βιοϊατρική Παρακολούθηση σημάτων ασθενών Σαρωτές Καταγραφές Ηλεκτροεγκεφαλογραφημάτων Ανάλυση Καρδιογραφημάτων Αποθήκευση ακτινών Χ - Τονισμός

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 9 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΨΕΣ Στηρίζεται στην θεωρία συστημάτων διακριτού χρόνου και χρονικά αμετάβλητων συστημάτων (Σχήμα 1.2) Συνδετικός κρίκος όλων των κατηγοριών ΨΕΣ ΨΕΣ ασχολείται με επεξεργασία μονοδιάστατων σημάτων Επεξεργασία εικόνας ασχολείται με επεξεργασία δισδιάστατων σημάτων Κύριες κατηγορίες: Ψηφιακά φίλτρα Φασματική Ανάλυση Ψηφιακά φίλτρα: Φίλτρα πεπερασμένης κρουστικής απόκρισης – finite impulse response (FIR) filters φίλτρα άπειρης κρουστικής απόκρισης - infinite impulse response (IIR) filters. Φασματική Ανάλυση: FFT Υπολογισμό του φάσματος με FFT Στατιστική ανάλυση φάσματος Υπόλοιπες κατηγορίες: Υλοποίηση ψηφιακών συστημάτων Εφαρμογές

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 10 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΨΕΣ

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 11 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Ανάλυση και σύνθεση όλων των απαιτήσεων και προδιαγραφών Προδιαγραφές ΨΕΣ Λειτουργικές Προδιαγραφές: Όγκος, βάρος, ισχύς, συντήρηση, αξιοπιστία. Υπάρχουν έτοιμα λογισμικά πακέτα (διευκολύνουν σχεδίαση και υλοποίηση συστήματος) Σχεδίαση συστήματος επεξεργασίας σημάτων (5 στάδια): 1.Καθορισμός απαιτήσεων του συστήματος  ποιοτικές και ποσοτικές απαιτήσεις του συστήματος,  επικοινωνία συστήματος με περιβάλλον,  τα είδη των σημάτων για επεξεργασία,  εναλλακτικές μορφές επεξεργασίας,  πιθανές επιδιώξεις του σχεδιαζόμενου συστήματος  τελικοί έλεγχοι αποδοχής του συστήματος. Ο προσδιορισμός αυτών των προδιαγραφών καθορίζεται σε συνεργασία με τον χρήστη του συστήματος.

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 12 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 13 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 2. Ανάλυση Σημάτων Εισόδου  Πλήρης προσδιορισμός των κατηγοριών σημάτων εισόδου και των χαρακτηριστικών τους.  στατιστικό μοντέλο του σήματος εισόδου.  Αναμενόμενα όρια του λόγου σήματος προς θόρυβο  προσδιορίζονται τα όρια της στάθμης των σημάτων εισόδου. 3. Σχεδιασμός Αλγορίθμων Επεξεργασίας Σημάτων  Αρχικά, αναπτύσσονται διαγράμματα ροής επεξεργασίας για κάθε κατηγορία σημάτων εισόδου (Στάδιο 2) και για κάθε λειτουργία επεξεργασίας (Στάδιο 1).  Διάφοροι τύποι επεξεργασίας σήματος είναι δυνατό να εφαρμοστούν,  φασματική ανάλυση,  ενεργειακό φάσμα,  ανίχνευση παλμού,  Παρακολούθηση΄συχνότητας  Διαχωρισμός της ροής του αλγορίθμου επεξεργασίας σε τμήματα του συστήματος.  ευελιξία ως προς την αλλαγή των σημάτων εισόδου ή της στάθμης τους.  κβαντικοποίηση του συστήματος

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 14 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ 4. Ανάλυση Στοιχείων Επεξεργασίας  Παράμετροι αποδοτικότητας συστήματος ΨΕΣ:  Παροχή δεδομένων  Μνήμη  Εύρος ζώνης δεδομένων εισόδου και εξόδου  Τα Στοιχεία Επεξεργασίας χωρίζονται σε τέσσερις ομάδες (Σχήμα 1.4) 1.Έλεγχος επεξεργασίας, 2.Επεξεργασία σημάτων, 3.Αποθήκευση δεδομένων, 4.Επικοινωνία δεδομένων.  Υπολογίζεται το ποσοστό αποδοτικότητας κάθε στοιχείου του συστήματος 5. Ανάλυση Δομής Συστήματος  Επιλογή υλικού του συστήματος  Καταμερισμός διαγραμμάτων ροής στα στοιχεία  Κεντρικό στοιχείο: DSP μικροεπεξεργαστής  Μέτρηση απόδοσης: Όχι ικανοποιητική, επανάληψη μελέτης με νέα στοιχεία

Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Τμήμα Εφηρμοσμένης Πληροφορικής και Πολυμέσων Εργαστήριο Νευρωνικών Δικτύων Slide 15 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΨΗΦΙΑΚΗ ΕΠΕΧΕΡΓΑΣΙΑ ΣΗΜΑΤΩΝ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΗΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ