דגימת אותות ושיחזורם
Transcription
דגימת אותות ושיחזורם
SPL דגימת אותות ושיחזורם :1 ניסוי דגימת אותות ושיחזורם2.1 -: המטרה.א .הקניית ידע מעשי לסטודנט בנושא דגימת אותות ושחזורם -: ספרות.ב • A.V. Oppenheim and R.W.Schafer, Digital Signal Processing, Engelewood Cliffs, NJ:Prentice-Hall, 1975. (TK5102.5O245) • E.O.Birgham, The Fast Fourier Transform,Engelwood Cliffs, NJ:Prentice-Hall, 1974. (QA403.B74) • A.V.Oppenheim, A.S.Willsky and I.T.Young, Signals and Systems, Engelwood Cliffs, NJ:Prentice-Hall, 1983. (CQA402.Q63) • J.G.Proakis and D.G.Manolakis, Introductiom to Digital Signal Processing, NewYork, macmillan, 1988. (TK5102.5P677) • B. Porat, A Course in Digital Signal Processing, New-York, John Wiley & Sons, 1997. (TK5120.5.P66) -:ציוד נדרש סקופ AM מחולל אותות בעל יכולת יצירת אות Function Generator 12MHz Model 8120 .1952 Universal Filter ,מסנן .Audio Amplifier BGU (EI331B) ,מגבר ושליטה מלאה12bit כרטיס לדגימה ושיחזור בעל רזולוציה מינימאלית של .על תדר דגימה ושיחזור .PC מחשב .מיקרופון .ג • • • • • • • . hist ,abs ,real ,floor ,zeros ,plot ,ifft ,fft ,save ,load :העזר בפקודות :פונקציות שירות quantize.m • כרטיס הדגימה ותוכנת הדגימה נמצאים במעבדה לעיבוד: הסבר על תוכנת דגימה הסבר קצר על אופן.Global-Lab תוכנת הדגימה נקראתPC אותות על מחשב .הדגימה והשיחזור ניתן בנספח א' של ניסוי זה . ±10Volts ותחום דינמי של, 12bit כרטיס הדגימה והשחזור הוא בעל רזולוציה של דגימת אותות ושיחזורם ניסוי :1 ד. SPL שאלות הכנה. . .1תהליך הדגימה. 1.1הסבר מהו תהליך הדגימה ,ומדוע יש בו צורך? 1.2רשום ביטויים להתמרת פוריה ישירה והפוכה עבור אותות בדידים ).(DTFT/ IDTFT 1.3הוכח את הביטויים. 1.4האם ההתמרה הישירה קיימת לכל אות בדיד? אם לא ,מהו התנאי לקיומה? 1.5רשום ביטוי המקשר בין התמרת פוריה של אות רציף לבין התמרת פוריה של אות דגום\בדיד ).(DTFT 1.6הוכח את הביטוי. 1.7תן תאור איורי לקשר זה. 1.8מהו הקשר בין תדירות "בדידה" לבין תדירות "רציפה"? 1.9הגדר התמרת פורייה בדידה לסדרה בעלת אורך סופי ).(DFT 1.10הראה הקשר בין התמרת DFTלהתמרת .DTFT 1.11בעזרת הביטוי בסעיף 1.5הסבר את תופעת החפיפה הספקטרלית ) (aliasingואת הסיבה לתופעה. 1.12האם התופעה רצויה בתהליך הדגימה? אם לא ,הסבר מדוע ,ותן פתרון לבעיה. 1.13נתון אות לא חסום בתדר .יש צורך לבצע על האות עיבוד ספרתי.לשם כך צריך לדגום את האות .הצע קריטריון לקביעת נתונים של מסנן Anti-Aliasingוקצב הדגימה. 1.14נניח שהאות הדגום )בסעיף הקודם( צריך לעבור שחזור .תן ביטוי לשגיאת השחזור במקרה שהאות עבר דרך מסנן Anti-Aliasingלפני הדגימה.תן ביטוי לשגיאת השחזור במקרה שהאות אינו עובר דרך מסנן Anti-Aliasingאך קצב הדגימה נשאר כמו במקרה הקודם. 1.15ממה נובעות שגיאות השחזור בשני המקרים? .2תהליך הכימות )(Quantization 2.1הסבר מהו תהליך הכימות .איך תהליך זה מתקשר להתהליך הדגימה? 2.2הסבר איך ייצוג המספרים במחשב משפיע על תחום הגדרה של שגיאת הכימות? מבחינת מספר ביטים. .1 .2מבחינת שיטת ייצוג מספרים שליליים )כלול את משלים ל ,1-משלים ל 2-וגודל וסימן(. Fixed-point .3לעומת Floating-point 2.3צייר אופיינים של אות מכומת כפונקציה של אות מבוא למכמת עבור מקרים של עיגול מספרים ) ,(Roundingקיצוץ מספרים ) (Trancationכאשר המספרים מיוצגים בשלוש שיטות: א .שיטת ייצוג המשלים ל.-2 ב .שיטת ייצוג המשלים ל.-1 ג .שיטת ייצוג הערך והסימן. 2.4הסבר איך התקבל כל אופיין. 2.5מדוע יש לנצל את כל התחום הדינאמי של מערכת הדגימה? מה יקרה אם ? Vin Max > V A D Max מה יקרה אם ? Vin Max >> V A D Max מה יקרה אם ? Vin Max < V A D Max מה יקרה אם ? Vin Max << V A D Max V in Max D Max VA אמפליטודה מכסימלית של אות הכניסה. קצה תחום דינאמי של הדוגם. ניסוי :1 דגימת אותות ושיחזורם SPL .3שחזור אותות. 3.1תן ביטוי בין ) x(nTלבין ) ) . X a ( tנוסחת .(Shannon 3.2הוכח את הביטוי .וודא שאכן מתקיים ) = x ( n t = nT ) . X a( t 3.3תן הגדרה למשחזר. 3.4הסבר את המודל הפיסיקלי שנוסחת Shannonמייצגת. 3.5האם המשחזר שהתקבל בנוסחת Shannonניתן לממוש? נמק בהרחבה. 3.6מעשית ,האם תמיד ניתן לשחזר את ) X a ( tמתוך ) ?x(nTנמק. ה .מהלך הניסוי הערה :על הסטודנט להחליט בעצמו לגבי בחירת פלטים או דפי תוצאות ,למטרת הסקת מסקנות בדו"ח מסכם. שים לב:מספר הפלטים המצורפים לא מעידים על טיב הדו"ח. .1חוק דגימה ,שגיאת חפיפה ספקטרלית )(Aliasing 1.1חבר את מערכת הדגימה ,כפי שמתואר בציור .2.2 דוגם מסנן מחולל אותות ציור :2.2מערכת הדגימה 1.2בצע דגימה של אות גל ריבועי פעמים ,פעם בלי מסנן Anti-Aliasingופעם שניה עם מסנן .AAהאות הדגום בעל התנאים הבאים: • תדירות האות . f o = 100 Hz • אמפליטודת האות -קבע לניצול מקסימלי של תחום דינמי. • תדירות הדגימה . f S = 1100 Hz • משך הדגימה .T = 1Sec 1.3חשב התמרת פורייה בדידה )בעזרת (FFTשל האותות הדגומים. 1.4הסבר את התוצאה שהתקבלה .השווה אותה לתיאוריה. 1.5בצע ריפוד באפסים במישור התדר לשני האותות הדגומים .השווה את האותות ה"מרופדים האפסים" במישור הזמן לאותות המקורים. הערה :בביצוע IFFTשל האות המרופד באפסים יתכן ערך קופלקסי קטן ביותר ,יש לקחת את החלק הממשי בלבד. 1.6האם קיים הבדל בין האותות בסעיפים 1.2ו .1.5השווה לתאוריה והסבר. .2תהליך הכימות ).(Quantization בסעיף זה נבדוק את התכונות הסטטיסטיות של שגיאת הכימות .נניח כי שגיאת הדוגם )בעל רזולוציה (12bitהיא נמוכה מאוד והאות המתקבל ממנו הוא אות ללא שגיאת כימות .נדמה דגימה בעזרת כרטיס בעל רזולוציה נמוכה יותר ,ולפיכך בכל שגיאת כימות, בעזרת הפונקציה .quantize.m ניסוי :1 דגימת אותות ושיחזורם SPL 2.1בצע דגימה של אות משולש בתנאים הבאים: • אמפליטודת האות - A 0 -לפי קביעת מבצע הניסוי. • תדר מחזור f 0 = 200 Hz .- • אורך האותL 0 ≥ 3000 samples . • שאר התנאים יקבעו על ידי המשתמש. 2.2חקור תכונות סטטיסטיות של האות ושל שגיאת הכימות כפונקציה של המשתנים הבאים) :השתמש בפקודה (HIST • רזולוציה של כרטיס דוגם מדומה. • ניצול תחום דינמי של הדוגם. 2.3מהן מסקנותיך מתוך הניסויים? .3שחזור האותות. 3.1דגום אות סינוסי בתנאי דגימה אופטימליים .מאפייני האות יקבעו ע"י הסטודנט. 3.2חבר את המערכת השחזור כפי שמתואר בציור .2.3 מסנן רמקול / סקופ משחזר ציור :2.3מערכת שחזור 3.3בצע שחזור של הדוגמא שיצרת בסעיף 3.1השווה את האות המשוחזר עם האות המקורי של המחולל. 3.4חבר את מערכת השחזור כפי שמתואר בציור 2.4 רמקול / סקופ משחזר ציור :2.4מערכת שיחזור. 3.5חזור על סעיף 3.3 3.6מהי מסקנתך מתוך הניסויים? .4דגימת אות דיבור ושחזורו. בסעיף זה נדגום אות דיבור ונשחזר אותו בתנאים אופטימלים .ובשלב שני נדמה איכות של קו טלפון. דוגם Fs מסנן B ציור :2.6מערכת הדגימה. מגבר מיקרופון ניסוי :1 דגימת אותות ושיחזורם 4.2בצע דגימה של צירוף מילים "אפוקליפסה עכשיו" ,תנאי הדגימה יקבוע על ידי המשתמש. 4.3בצע שערוך ספקטרום של האות .בצע שיערוך ספקטרום על כל האות ,כדי לראות הרכב ספקטרלי של אות דיבור ).(Long Term PSD 4.4מהי מסקנתך מתוך התוצאה שהתקבלה? 4.5תאר את הניסוי והסבר לפי אילו קריטריונים קבעת את מצב המערכת? 4.6בצע שחזור אות דבור דגום בתנאים אופטימלים ,בדוק את האות המשוחזר הן העזרת אוסילוסקופ והן באמצעות רמקול. 4.7בצע שחזור אות דבור דגום בדימוי רזולוציות שונות של כרטיס דוגם. 4.8השווה את התוצאות בסעיפים 2.6ו . 2.7והסבר את השפעת הפרמטרים על איכות הדיבור המשוחזר. 4.9הנח כי האות הנתון )במוצא המקרופון( הוא אות שעבר קו טלפון ולכן רוחב הסרט שלו הוגבל ל .3.2khz -תכנן את מערכת הדגימה )מסנן ,Anti-Aliasingתדר דגימה( והשיחזור המתאימים .בניסוי זה דמה כרטיס דגימה בעל רזולוציה של . 8bitבצע שיחזור והשווה לתוצאות השיחזור הקודמות )איכות ,מובנות(. ו .דו"ח מסכם -הערכות ומסקנות .1ערוך את התוצאות בצורה מסודרת .תן הסבר ,איך התקבלו התוצאות ומהן מסקנותיך? .2שלב את התשובות על שאלות אשר בגוף מהלך הניסוי ,בתוך הדו"ח המסכם. SPL