Ψηφιακή Επεξεργασία Σήματος

ΜΑΘΗΣΙΑΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Με την επιτυχή ολοκλήρωση του μαθήματος, ο/η φοιτητής/ήτρια διαθέτει προηγμένες γνώσεις, δεξιότητες και ικανότητες στο αντικείμενο της Ψηφιακής Επεξεργασίας Σήματος, με βάση τις οποίες είναι σε θέση να:

• Περιγράφει με διαγράμματα βαθμίδων τις βασικές και τις ειδικές διεργασίες της Ψηφιακής Επεξεργασίας Σήματος,
• Επιλέγει την κατάλληλη μεταξύ των εναλλακτικών περιγραφών ψηφιακού συστήματος, με βάση το πρόβλημα που αντιμετωπίζει,
• Κάνει φασματική ανάλυση σημάτων και συστημάτων χρησιμοποιώντας εργαλεία προσομοίωσης ψηφιακών συστημάτων για τον υπολογισμό της εξόδου,
• Ερμηνεύει τα αποτελέσματα της συχνοτικής απόκρισης ψηφιακών σημάτων και συστημάτων, ώστε να προχωρά σε χαρακτηρισμό και κατηγοριοποίησή τους,
• Αναλύει προβλήματα επεξεργασίας σήματος σε ρεαλιστικά σενάρια εφαρμογών (επεξεργασία οπτικοακουστικού σήματος, βιοϊατρικών σημάτων, τηλεπικοινωνιακών σημάτων) και συνθέτει λύσεις (σχεδιάζει ψηφιακά συστήματα / φίλτρα) με βάση τις διδαχθείσες προσεγγίσεις,
• Συνεργάζεται σε ομάδα για την ολοκληρωμένη αντιμετώπιση (ανάλυση – σύνθεση) σύνθετου προβλήματος ψηφιακής επεξεργασίας σήματος, την κριτική αξιολόγηση εναλλακτικών λύσεων και τη λήψη αποφάσεων προς υλοποίηση.

 

Λέξεις κλειδιά: Σήματα και συστήματα διακριτού χρόνου, (αυτο-) συσχέτιση, κρουστική απόκριση πεπερασμένης / άπειρης διάρκειας, ψηφιακά φίλτρα, κανονική μορφή Ι και ΙΙ, Discrete Fourier Transform, Fast Fourier Transform, φασματική ανάλυση.

 

Γενικές Ικανότητες

• Αυτόνομη Εργασία
• Προαγωγή της ελεύθερης, δημιουργικής και επαγωγικής σκέψης
• Ομαδική Εργασία
• Αναζήτηση, ανάλυση και σύνθεση δεδομένων και πληροφοριών, με τη χρήση και των απαραίτητων τεχνολογιών

 

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ

1. ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ Ι: Εισαγωγή (2 εβδομάδες)
   • Γενική τοποθέτηση του αντικειμένου της ΨΕΣ στο επιστημονικό πεδίο του ηλεκτρολόγου και ηλεκτρονικού μηχανικού. Σύγχρονες τεχνικές εφαρμογές της ΨΕΣ, έμφαση στις τηλεπικοινωνίες.
   • Επανάληψη βασικών προαπαιτούμενων γνώσεων (Μετασχηματισμοί Laplace, Fourier, Z και αντίστροφοι). Επανάληψη σημάτων και συστημάτων διακριτού χρόνου σε σύγκριση με τα αντίστοιχα μεγέθη και συναρτήσεις συνεχούς χρόνου.
   • Προσομοίωση και γραφική αναπαράσταση σημάτων και συστημάτων διακριτού χρόνου σε λογισμικό τύπου Matlab.
2. ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ ΙΙ: Αναλογο-ψηφιακή και ψηφιο-αναλογική μετατροπή (2 εβδομάδες)
   • Βασικά θεωρήματα και μέθοδοι, ηλεκτρονικά κυκλώματα, επισκόπηση σύγχρονου διαθέσιμου υλικού (hardware) (A/D & D/A converters, DSP boards) και κριτήρια επιλογής του.
   • Εισαγωγή σε A/D και D/A διατάξεις με χρήση σύγχρονων καρτών υλικού (hardware) και εφαρμογή σε ακουστικά σήματα και σήματα φωνής. Πειραματική εξοικείωση με τα βασικά χαρακτηριστικά της αναλογο-ψηφιακής μετατροπής και την επίδρασή τους στην ποιότητα.
3. ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ ΙΙΙ: Βασικές συναρτήσεις ΨΕΣ και ιδιότητες (2 εβδομάδες)
   • Βασικά «εργαλεία» εργασίας στην ΨΕΣ και ιδιότητες αυτών (συνέλιξη, συσχέτιση / αυτο- συσχέτιση) και μέθοδοι υπολογισμού τους στα πεδία χρόνου και συχνότητας.
   • Χρήση λογισμικού για την προσομοίωση, υπολογισμό και αναπαράσταση ψηφιακών σημάτων / συστημάτων, συνέλιξης και αυτο ετερο-συσχετίσεων.
4. ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ ΙV: Διακριτός Μετασχηματισμός Fourier (DFT) και Ταχείες υλοποιήσεις του (FFT) (3 εβδομάδες)
   • Μορφές του Μετασχηματισμού Fourier για τις διάφορες κατηγορίες σημάτων (DFS, DTFT, DFT).
   • Διακριτός Μετασχηματισμός Fourier (DFT): ορισμός, υπολογισμός, μορφή άλγεβρας πινάκων.
   •  Αλγόριθμοι υπολογισμού του DFT και πολυπλοκότητα. Ταχύς Μετασχηματισμός Fourier (FFT). Υλοποιήσεις σε υλικό (hardware).
5. ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ V: Εισαγωγή στη σχεδίαση ψηφιακών φίλτρων (3 εβδομάδες)
   • Εισαγωγή στα ψηφιακά φίλτρα. Κατηγορίες (FIR/IIR) και συχνοτική συμπεριφορά. Δομές φίλτρων και σύνδεση με τοπολογίες.
   • Κυριότερες μέθοδοι σχεδίασης FIR και IIR φίλτρων.
   • Σχεδίαση ψηφιακών φίλτρων για συγκεκριμένες εφαρμογές. Εξοικείωση με την επίδραση των βασικών παραμέτρων σχεδίασης φίλτρων στην ποιότητα του αποτελέσματος.
6. ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ VI: Υλικό ειδικού σκοπού για Ψ.Ε.Σ. (1 εβδομάδα)
   • Επισκόπηση σύγχρονου υλικού (hardware) ειδικού σκοπού για Ψ.Ε.Σ. (DSP chips and boards). Εισαγωγή στους DSProcessors.
   • Αρχιτεκτονική, δυνατότητες, αγορά. Επεξεργαστές ψηφιακού σήματος σταθερής και κινητής υποδιαστολής, ομοιότητες και διαφορές. Αναφορά στις βασικές οικογένειες των DSPs των εταιρειών, Texas Instruments, Analog Devices, Motorola και AT & T.
   • Βασικά αρχιτεκτονικά χαρακτηριστικά. Παρουσίαση των DSPs σταθερής και κινητής υποδιαστολής της Texas Instruments (TI) με έμφαση στην οικογένεια C6XXX (TMS320C6711, C6713 και C6416).

 

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ

Εργαστηριακή εκπαίδευση των φοιτητών μέσω του προγράμματος MATLAB και του λογισμικού της Texas Instruments Code Composer Studio. Περιλαμβάνονται έξι (6) εργαστηριακές ασκήσεις εστιασμένες στα βασικότερα αντικείμενα της θεωρητικής διδασκαλίας:

1. Ψηφιακή παραγωγή ημιτονικών σημάτων, υπέρθεση, διαμόρφωση / μίξη, αλλοίωση.
2. Ψηφιακή παραγωγή ακουστικών φαινομένων και εφφέ (ηχώ, αντήχηση, κ.α.)
3. Σχεδιασμός Ψηφιακών Φίλτρων (Comb, FIR, IIR)
4. Υλοποίηση φίλτρων σε πραγματικό χρόνο με τους επεξεργαστές TMS320C6713 της Texas Instruments.
5. Ανάπτυξη και υλοποίηση γραφικών περιβαλλόντων σε περιβάλλον τύπου Matlab.

 

ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΦΟΙΤΗΤΩΝ

Θεωρία: Πρόοδος (30%), Τελική Εξέταση (70%)
Γλώσσα αξιολόγησης: Ελληνική
Η διαδικασία αξιολόγησης περιέχει σε διάφορα ποσοστά:

-Ερωτήσεις θεωρίας
-Ανάπτυξη θεωρίας
-Ερωτήσεις κρίσεως
-Επίλυση προβλημάτων
-Μεικτές καταστάσεις

Εργαστήριο: Ατομικές ή μικρές ομαδικές εργασίες (30%),

Τελική Εξέταση (70%)
Η διαδικασία αξιολόγησης στηρίζεται τόσο στην συνολική παρουσία των φοιτητών κατά τη διάρκεια του εργαστήριου όσο και στην τελική του εξέταση.
Γλώσσα αξιολόγησης: Ελληνική

 

ΣΥΝΙΣΤΩΜΕΝΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

Ελληνική:

1. Α. Σκόδρας, Β. Αναστασόπουλος, Ψηφιακή Επεξεργασία σήματος και εικόνας, Εκδόσεις Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου.
2. Γ. Δ. Κόγιας, Εισαγωγή στην Ψηφιακή Επεξεργασία Σήματος, Εκδόσεις Σύγχρονη Εκδοτική, Αθήνα, 2010.
3. Μ. H. Hayes, Θεωρία και προβλήματα στην ψηφιακή επεξεργασία σήματος, (μτφρ.), Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσ/νίκη, 2000, ISBN: 9608050111.
4. Σ. Φωτόπουλος, Ψηφιακή επεξεργασία σήματος, ISBN: 9609892914.
5. Ν. Καλουπτσίδης, Συστήματα και Αλγόριθμοι, Εκδόσεις Δίαυλος, Αθήνα 1993.
6. J. H. McClellan, R. W. Schafer, M. A. Yoder, Θεμελιώδεις έννοιες της επεξεργασίας σημάτων, (μτφρ.), Εκδόσεις Γκότση, 2006, ISBN: 9608771048.
7. A. Antoniou, Ψηφιακή επεξεργασία σήματος, Σήματα συστήματα και φίλτρα, (μτφρ.), Εκδόσεις Τζιόλα, Θεσ/νίκη, 2009, ISBN: 9604181882
8. J. G. Proakis, D. G. Manolakis, Ψηφιακή ανάλυση σήματος, Αρχές, αλγόριθμοι, εφαρμογές, (μτφρ.), Εκδόσεις Ίων, Αθήνα, 2010, ISBN: 9604117157

 

Ξενόγλωσση:

1. E. C. Ifeachor, B. W. Jervis, Digital Signal Processing, ISBN: 0201596199.
2. J. G. Proakis, D. G. Manolakis, Digital Signal Processing, ISBN: 0132287315
3. A. Oppenheim, R. Schafer, Digital Signal Processing, ISBN: 0132146355
4. S. K. Mitra, Digital Signal Processing, ISBN: 0071244670