sistemisaviše brzina (13m031svb) deo 6

75
Sistemi sa više brzina (13M031SVB) Deo 6 Master studije Jelena Ćertić, Katedra za Telekomunikacije, Elektrotehnički fakultet, Univerzitet u Beogradu The European Commission's support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents, which reflect the views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.

Upload: others

Post on 02-Oct-2021

3 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Sistemi sa više brzina (13M031SVB)Deo 6

Master studijeJelena Ćertić, Katedra za Telekomunikacije,

Elektrotehnički fakultet, Univerzitet u Beogradu

The European Commission's support for the production of this publication does not constitute an endorsement of the contents, which reflect the views only of the authors, and the Commission cannot be held responsible for any use which may be made of the information contained therein.

Page 2: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

• Minimizacija broja računskih operacija• Računske operacije na nižoj frekvenciji odabiranja(ako je multirate sistem)

• Minimizacija efekata konačne dužine kodne reči

Digitalne banke filtara ‐ realizacije

13M031SVB, ETF, Beograd

2

Page 3: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer – dvokanalnaQMF banka

zHzH 01

H0(z) F0(z)

F1(z)H1(z)

2

22

2x[n] y[n]

v0[n]=w0[n]

v1[n]=w1[n]u0[n]

u1[n]

u0[n]

u1[n]

zHzFzHzF 0110 2,2

13M031SVB, ETF, Beograd

3

Page 4: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer – dvokanalnaQMF banka

2

112

02

311

2200

33

22

1100

...

...

...

zEzzEzhhz

zhhzH

zhzhzhhzH

Polifazna realizacija filtra H0(z)

13M031SVB, ETF, Beograd

4

Page 5: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer – dvokanalnaQMF banka 2

112

001

21

1200

zEzzEzHzH

zEzzEzH

x[n]

E0(z2) 2

z-1 E1(z2)

E0(z2) 2

z-1 E1(z2)

H0(z)

H1(z)

13M031SVB, ETF, Beograd

5

Page 6: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer – dvokanalnaQMF banka

x[n]

E0(z2) 2

z-1 E1(z2)

E0(z2) 2

z-1 E1(z2)

H0(z)

H1(z)

X(z)

E0(z)

2z-1 E1(z)

2H0

H1

13M031SVB, ETF, Beograd

6

Page 7: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer – dvokanalnaQMF banka

zHzFzHzF 0110 2,2

21

1200 2 zEzzEzF

2

112

001

21

1200

zEzzEzHzH

zEzzEzH

21

1201 2 zEzzEzF

13M031SVB, ETF, Beograd

7

Page 8: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Efikasna realizacija – dvokanalnaQMF banka

13M031SVB, ETF, Beograd

8

2

2

z-1

E0(z)

E1(z)

x[n] 2

2E1(z)

E0(z)

z-1

2

y[n]

2

2

z-1

E0(z2)

E1(z2)

x[n] 2

2 E1(z2)

E0(z2)

z-1

2

y[n]

Page 9: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Polifazna realizacija

0 1 0 1

2 1 2 2 1 20 1 0 1

2 1 2 2 1 20 1 0 1

1 2 20 14

T z H z H z H z H z

E z z E z E z z E z

E z z E z E z z E z

z E z E z

close all; clear;N=47;h0=[0.00040829340,‐0.00061083240,‐0.00066471290,0.0015016570,0.00089979030,‐0.0029611340,‐0.00095592250,...

0.0051489700,0.00063647700,‐0.0082474350,0.00033292710,0.012465680,‐0.0023574670,‐0.018121920,...

0.0060226430,0.025813150,‐0.012422540,‐0.036906340,0.024020070,0.055379000,‐0.048731140,‐0.098437790,...

0.13639810, 0.46139480]; % polovina koef. filtra h0, filtar je lin fazeh0=[h0,fliplr(h0)]; % filtar je lin faza pa su koef. simetricnie0=h0(1:2:end);e1=h0(2:2:end);[E0,w]=freqz(upsample(e0,2),1,10000);[E1,w]=freqz(upsample(e1,2),1,10000);figure,plot(w/pi,4*abs(E0.*E1));figure,plot(w/pi,angle(E0.*E1));

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10.9985

0.999

0.9995

1

1.0005

1.001

1.0015

1.002

𝐻 𝑧 𝐸 𝑧 𝑧 𝐸 𝑧

𝐻 𝑧 𝐸 𝑧 𝑧 𝐸 𝑧

13M031SVB, ETF, Beograd

9

Page 10: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

• Realizacija preko paralelne veze svepropuniska (da bi se dobila efikasna struktura)

• Sekcije nižeg reda (drugog i prvog)• Procesiranje na nižoj frekvenciji odabiranja

Dvokanalna IIR filtarska banka (Half‐band IIR filtri)

13M031SVB, ETF, Beograd

10

Page 11: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Realizacija preko sekcija nižeg redaA0(z)

A1(z)

IN

GLP(z)

GHP(z)1/2

2)()()( 10 zAzAzGLP

2)()()( 10 zAzAzGHP

21

,4,221

21

0 111N

l lll

lll

zzzzzA

21

,5,321

21

11

11

1 111

1

N

l lll

lll

zzzz

zzzA

12 , llll r

-1 -0.5 0 0.5 1Real Part

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

9

rl – moduli polova

OPŠTI SLUČAJ – filtri NEmoraju biti half‐band

13M031SVB, ETF, Beograd

11

Podsetnik

Page 12: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Realizacija IIR filtarskog para prekoparalelne veze all‐pass filtara

A0(z)

A1(z)

IN

GLP(z)

GHP(z)1/2

2)()()( 10 zAzAzGLP

2)()()( 10 zAzAzGHP

12 , llll r rl – moduli 

polova

-1 -0.5 0 0.5 1Real Part

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

polovi polaznog filtra (*) i grane A0 (x)

Ako su filtri half‐bandmoguće su dodatne pogodne uštede u broju računskih operacija

Podsetnik

13M031SVB, ETF, Beograd

12

𝐴 𝑧𝛽 𝑧

1 𝛽 𝑧

, ,…

𝐴 𝑧 𝑧𝛽 𝑧

1 𝛽 𝑧

, ,…

Page 13: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Half‐band IIR filtri

Realizacija preko paralelne veze svepropusniska

A02(z2)

A12(z2)

IN

GLP(z)

GHP(z)1/2

z-1

Jedinično kašnjenje – trivijalna sekcija prvog reda

13M031SVB, ETF, Beograd

13

Page 14: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Dvokanalne banke filtara –efikasna realizacija – IIR

13M031SVB, ETF, Beograd

14

2

z

2

A02(z)

A12(z)

+

+

1/2

X[n]-1

_

Banka analize

2

2 ++

+

z

y[n]_

-1

A12(z)

A02(z)

Banka sinteze

Page 15: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Dvokanalne banke filtara –efikasna realizacija – IIR

13M031SVB, ETF, Beograd

15

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1/

0.99999999999985

0.9999999999999

0.99999999999995

1

1.00000000000005

1.0000000000001

1.00000000000015

arg(

T())

NIJE banka sa perfektnom rekonstrukcijom (ni blizu, jer nema linearnu fazu)

Page 16: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-80

-60

-40

-20

0

|HLP

()|

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1-8

-6

-4

-2

0

/

Arg

(HLP

())

/

L=4L=6L=8L=10L=12

IIR filtri približno linearne faze

13M031SVB, ETF, Beograd

16

z-D

A0(z)

0.5 HLP(z)

HHP(z)

Paralelna veza all‐pass filtra i kašnjenja (koje je trivijalna all‐passsekciija), pa je ovo specilajalan slučaj filtra realizovanog kao paralelna veza dva svepropusnika

Red all‐pass filtra A0 je paran (L)

Podsetnik

Page 17: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

IIR filtri probližno linearne fazefiltarska banka

13M031SVB, ETF, Beograd

17

2

2

z-1

APDS(z)

z-M

In

Ch0

Ch1

0.5

2

2z-M

APDS(z)

z-1

Ch1

Ch0

Out

20 DSA z AP z

Page 18: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

IIR filtri probližno linearne faze

13M031SVB, ETF, Beograd

18

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1/

0.99999999999985

0.9999999999999

0.99999999999995

1

1.00000000000005

1.0000000000001

1.00000000000015

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1/

20

25

30

35

40

45

50

55

60

gd(

))

Page 19: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Uniformna banka filtara

13M031SVB, ETF, Beograd

19

• filtri H0(z) i F0(z) ‐ propusnici niskih frekvencija• filtri HM‐1(z) i FM‐1(z) propusnici visokih frekvencija• Ostali filtri su propusnici opsega

Page 20: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Realizacija preko dvokanlanih banaka

13M031SVB, ETF, Beograd

20

2

HA

2

X

Nivo 1

2

HA

2

Nivo 2

2

HA

2

Nivo 3

2

HA

2

2

HA

2

2

HA

2

2

HA

2

Struktura svihbanaka može 

biti ista

Page 21: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Oktavna banka filtara(neuniformna)

13M031SVB, ETF, Beograd

21

Page 22: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Oktavna banka analze(realizovana pomoću dvokanalnih banki)

13M031SVB, ETF, Beograd

22

Nivo 1

2

HA

2

2

HA

2

2

HA

2

2

HA

2 G0

G1

G2

G3

G4

X

Nivo 2 Nivo 3 Nivo 4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 100.20.40.60.8

1

Normalizovana frekvencija

Page 23: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Oktavna banka sinteze(realizovana pomoću dvokanalnih banki)

13M031SVB, ETF, Beograd

23

Page 24: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

• Direktna sinteza višekanalnih filtarskih banaka (posebno ako se zahteva približno savršena rekonstrukcija) može se postići optimizacionim metodama

• Ovakav način projektovanja je složen i ograničen na relativno mali broj kanala

• U praksi su od interesa filtarske banke koje spadaju u klasu filtarskih banaka sa kompleksnom modulacijom

Direktna realizacija višekanalnih uniformnih banki filtara

13M031SVB, ETF, Beograd

24

Page 25: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Filtarske banke sa kompleksnom modulacijomU opštem slučaju, filtar propusnik opsega H2 može se realizovati „transliranjem u spektru“ (kompleksnom modulacijom) filtra propusnika niskih frekvencija H1

0

0

2 1

2 1

jn

jj

h n h n e

H e H e

Iako je filtar H1 filtar sa realnimkoeficijentima, filtar H2 je, očigledno, filtar sa kompleksnim koeficijentima

Ukoliko H1 ima linearnu faznu karakteristiku, i H2 će imati linearnu faznu karakteristiku

13M031SVB, ETF, Beograd

25

Page 26: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Filtarske banke sa kompleksnom modulacijom

13M031SVB, ETF, Beograd

26

0

0

2 1

2 1

jn

jj

h n h n e

H e H e

Položaj nula i polova se „zarotirao“ za ugao ω0

Hrekvencijski odziv se „translirao“ za ω0H2 je sistem sa kompleknim koeficijentima NEMA simetrije oko 0

Page 27: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Direktna realizacija višekanalnih uniformnih banki filtara

13M031SVB, ETF, Beograd

27

Ovaj princip može da se iskoristi tako što se ista karakteristika filtra propusnika niskih frekvencija translira M puta sa različitim „pomacima“ u spektru ωk=2πk/M, k=0,1,2,…,M‐1 gde je Mukupan broj kanala na intervalu od 0 do 2π

Page 28: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

• DFT banke• M‐kanalna DFT banka formira se od prototip filtra propusnikaniskih frekvencija HP(z) i skupa od Mmodulatora. Ako su koeficijenti impulsnog odziva NF prototip filtra N‐tog reda: h0(0), h0(1),...,h0(N), tada će koeficijenti impulsnog odziva k‐tog filtra u M‐kanalnoj banci biti:

• Odgovarajući frekvencijski odziv k‐tog filtra u banci  je:

• frekvencijski odzivi Hk(ejω), Fk(ejω), k=1,2,..., M‐1, su uniformno translirane verzija frekvencijskog odziva prototip filtra H0(ejω).

Direktna realizacija višekanalnih uniformnih banki filtara ‐ DFT filtarske banke

13M031SVB, ETF, Beograd

28

ℎ 𝑛 𝑓 𝑛 ℎ 𝑛 𝑒 / , za 𝑛 0,  1, … ,  𝑁

𝐻 𝑒 𝐹 𝑒 𝐻 𝑒 ⁄ , za 𝑘 0,1, … ,  𝑀 1

Page 29: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

DFT banke

13M031SVB, ETF, Beograd

29

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2/

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

H(

)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2/

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

arg(

T())

Page 30: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

DFT banke

13M031SVB, ETF, Beograd

30

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5Real Part

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Imag

inar

y Pa

rt

65

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3Real Part

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Imag

inar

y Pa

rt

65

LP

BPKompleksnikoeficijenti

Page 31: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

DFT banke

13M031SVB, ETF, Beograd

31

• Ako se opisana filtarska bankarealizuje tako što se svaki filtar implementira kao polifazna struktura, zbog veze između filtara, može se dobiti veoma efikasna struktura

• Efikasnost proitiče iz toga što se dft/idft može iskoristiti kao blok za transliranje u spektru

H0(z)

H1(z)

H2(z)

HM-1(z)

M

M

M

M

v0[n]

v1[n]

v2[n]

vM-1[n]

x[n]

Page 32: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

DFT banke

13M031SVB, ETF, Beograd

32

Banka sinteze

Banka analize

X(z) X0(z)

X1(z)

Xi(z)

XM-1(z)

IDFT

H0,0(z)

H0,1(z)

H0,i(z)

H0,M-1(z)

M

M

M

M

z-1

z-1

z-1

X0(z)

X1(z)

Xi(z)

XM-1(z)

IDFT

G0,0(z)

G0,1(z)

G0,i(z)

G0,M-1(z)

M

M

M

M

z-1

z-1

z-1

X(z)

Page 33: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

• Iako je struktura veoma efikasna, postoji problem sapreklapanjem spektra između susednih kanala

• Sam prototip filtar se projektuje tako da je kvadrat njegove amplitudske karakteristike podignuti kosinus, odnosno filtar je “koren iz podignutog kosinusa” (square root raised cosine) SRRC

• Takav filtar je komplementaran po snazi sa sopstvenim pomerenim replikama (transliranim) što bi obezbedilo da ukupna karakteristika filtara od ulaza u banku analize do izlaza iz banke sinteze odgovara kašnjenju

• Filtar je idealan, pa se, odsecanjem, aproksimira FIR filtrom, sa dodatnim eventualnim množenjem sa prozorskom funkcijom

DFT banke

13M031SVB, ETF, Beograd

33

Page 34: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

SRRC filtar

13M031SVB, ETF, Beograd

34

2

1 14 cos sin

41SRRC

n r n rrn M

M Mh n

rn nMM

2 cos 1 cos 14 4 4SRRCM rh r r

r M r r

1 40 1SRRCrh

M M

Frekvencijski odzivImpulsni odziv odziv

1, 1

cos 1 , 1 14

0, 1

c

jSRRC

c c

c

r

H e r r rr

r

Za elemente impulsnog odziva za koje je n=M/(4r), ukoliko postoje (ako je M/(4r) ceobroj)

za n=0Nekauzalan filtar beskonačne dužine impulsnog odzivaAproksimira se FIR filtrom (kauzalnim) koji se dobija metodom projektovanja pomoću prozora, polazeći od datog impulsnog odziva

Page 35: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

SRRC filtar

13M031SVB, ETF, Beograd

35

Page 36: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

SRRC filtar

13M031SVB, ETF, Beograd

36

Zoom – propusni opseg i prelazna zona

Page 37: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

SRRC filtar

13M031SVB, ETF, Beograd

37

Page 38: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

DFT banke

13M031SVB, ETF, Beograd

38

U osnovnoj realizaciji, problem je preklapanjespektra koje ne može potpuno da se eliminiše, postoje razne modifikacije koje to delimično rešavaju, više o tome u *

*T. Karp and N. J. Fliege, "Modified DFT filter banks with perfect reconstruction," in IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Analog and Digital Signal Processing, vol. 46, no. 11, pp. 1404‐1414, Nov. 1999.

Page 39: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

• Kosinusne banke• Kosinusne banke filtara formiraju se takođe iz prototip NF filtra.

• Koeficijenti impulsnog odziva filtara u kosinusnoj banci formiraju se od koeficijenata impulsnog odziva NF prototip filtra i skupa kosinusnih modulatora prema izrazu:

Direktna realizacija višekanalnih uniformnih banki filtara– kosinusne banke

13M031SVB, ETF, Beograd

39

0

0

2 12 cos 1 , za 0,1,..., 1

2 2 4

2 12 cos 1 , za 0,1,..., 1

2 2 4

kk

kk

kNh n p n n k MM

kNf n p n n k MM

Banka analize

Banka sinteze

Kosinusne banke su sa realnim koeficijentima, Mkanala u opsegu od 0 do π

Page 40: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

• Kanalni filtri nisu filtri linearne faze• Filtri u banci sinteze nisu isti kao filtri u banci analize

• Ukupna karakteristika je linearna

Direktna realizacija višekanalnih uniformnih banki filtara– kosinusne banke

13M031SVB, ETF, Beograd

40

0

0

2 12 cos 1 , za 0,1,..., 1

2 2 4

2 12 cos 1 , za 0,1,..., 1

2 2 4

kk

kk

kNh n p n n k MM

kNf n p n n k MM

Banka analize

Banka sinteze

Page 41: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Kosinusne banke

13M031SVB, ETF, Beograd

41

Filtri su sa realnim koeficijentima, prototip filtar mora biti dva puta manje granične frekvencije, odnosno π/(2M)

Filtri treba da budu komplementarni po snazi

Page 42: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Kosinusne banke

13M031SVB, ETF, Beograd

42

Page 43: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Kosinusna banka ‐ primer

13M031SVB, ETF, Beograd

43

close allclearclcM=16;% filtarska bankaN=256;Nx=(N+1)*M;h0=srrcf(N,2*M,0.25);[H0,w]=freqz(h0,1,10000);figure,plot(w/pi,abs(H0));xlabel('\omega/\pi');ylabel('amplitudskakarakteristika');title('Prototip filtar');figure,plot(w/pi,20*log10(abs(H0)));xlabel('\omega/\pi');

Page 44: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Kosinusna banka ‐ primer

13M031SVB, ETF, Beograd

44

n=0:N;for brojac=1:M

h(brojac,:)=2*h0.*cos((brojac-1+1/2)*(n-N/2)*pi/M+(-1)^(brojac-1)*pi/4);[H(brojac,:),w]=freqz(h(brojac,:),1,10000);H_faza(brojac,:)=unwrap(angle((H(brojac,:))));H_grp_kasnjenje(brojac,:)=grpdelay(h(brojac,:),1,10000);g(brojac,:)=2*h0.*cos((brojac-1+1/2)*(n-N/2)*pi/M-(-1)^(brojac-1)*pi/4);[G(brojac,:),w]=freqz(g(brojac,:),1,10000);G_faza(brojac,:)=unwrap(angle((G(brojac,:))));G_grp_kasnjenje(brojac,:)=grpdelay(g(brojac,:),1,10000);

endfigure,plot(w/pi,abs(H)); hold onxlabel('\omega/\pi');ylabel('amplitudska karakteristika');title('banka analize');

Page 45: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Kosinusna banka ‐ primer

13M031SVB, ETF, Beograd

45

figure,plot(w/pi,H_faza);xlabel('\omega/\pi');ylabel('fazna karakteristika');title('banka analize');figure,plot(w/pi,H_grp_kasnjenje);xlabel('\omega/\pi');ylabel('grupno kasnjenje');title('banka analize');

Page 46: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Kosinusna banka ‐ primer

13M031SVB, ETF, Beograd

46

x=zeros(Nx,1);x(100:150)=1;Nx=length(x);for br=1:M

analiza_out_tmp=filter(h(br,:),1,x);analiza_out_d(1:Nx/M,br)=analiza_out_tmp(1:M:end);

end;sinteza_in_d=analiza_out_d;sinteza_out_d=filter(g(1,:),1,upsample(sinteza_in_d(:,1),M));for br=2:M

sinteza_out_tmp=filter(g(br,:),1,upsample(sinteza_in_d(:,br),M));sinteza_out_d=sinteza_out_d+sinteza_out_tmp;

end;sinteza_out_d=M*sinteza_out_d;figure,plot(0:Nx-1,x,0:Nx-1,sinteza_out_d);ylim([-0.1 1.1]);xlabel('\itn');legend('in','out');

Page 47: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Transmultiplekseri

13M031SVB, ETF, Beograd

47

Dualni problem u odnosu napojam filtarske banke koji smodo sada razmatrali

Prvo ide banka sinteze pa zatim banka analize

G0(z)

G1(z)z-1

H0(z)

H1(z)

2

2

2

2

2

2

2

2z-1

Transmultiplekser filtarska banka

X0(z)

X1(z)

X0(z)

X1(z)

TDM TDMFDM

Page 48: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

• Wavelet – talasić• Wavelet  transformacija je metod kojim se signal „razbija“ na niz komponenti (a nisu sinusne i kosinusne)

• U porođenju s STFT daje bolje rezultate za „prirodne“ signale jer su mogućnosti što se rezolucije tiče povoljnije za te klase signala

• U kontekstu filtarskih banaka, izborom tipa waveleta biramo zapravo koeficijente filtara i njihov međusobni odnos (tj. tip komplementarnosti)

Wavelet transformacija

13M031SVB, ETF, Beograd

48

Page 49: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Spektralna analiza ‐ podsetnik

13M031SVB, ETF, Beograd

49

12

jj jV e X e W e d

2j

kN

V k V e

21

0

, 0,1, , 1knN

N

n

V k v n e k N

Page 50: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Real‐time spektralna analiza signala, zapravo se  bazira na algoritmu vremenski zavisne Furijeove transformacije (Time Dependant Fourier Transform ili Short Time Fourier Transform STFT) koja je definisana formulom:

gde je: x ‐ ulazni signal,w ‐ prozorska funkcija (konačne dužine), ‐ frekvencija za koju se računa Furijeova transformacija,R – pomeraj početka dva sukcesivna prozora.

Vremenski zavisna Furijeova transformacija

13M031SVB, ETF, Beograd

50

,m

j j m

m

X n e x m w m nR e

Page 51: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

• Pogodan način da se prikažu rezultati• Praktično se prikazuje matrica dobijena primenom vremenski zavisne Furijeove transformacije

Spektrogram

13M031SVB, ETF, Beograd

51

Page 52: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Spektrogram

13M031SVB, ETF, Beograd

52

d_p=round(0.05*fs)+1;nfft=1024*4;[S,F,T,P]=spectrogram(x,d_p,0.5*d_p,nfft,fs);figure,surf(T,F,10*log10(P),'EdgeColor','none');axis xy; axis tight; colormap(jet); view(0,90);xlabel('Time');ylabel('Frequency (Hz)');

[S,F,T,P]=spectrogram(x);figure,surf(T/(fs/pi/2),F/pi*fs/2,10*log10(P),'EdgeColor','none');axis xy; axis tight; colormap(jet); view(0,90);xlabel('Time');ylabel('Frequency (Hz)');

Page 53: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Izbor dužine prozora

13M031SVB, ETF, Beograd

53

• Posebno važno za nestacionarne signale

• Ako je dužina prozora N veća, popravlja se rozulcija po frekvenciji ~fs/N, ali se kvari rezolucija u vremenu (kratkotrajne, brze promene u signalu će biti izgubljene, tj. na neki način usrednjene)

• Za malo N rezolucija po frekvenciji je loša

vreme

vreme

vreme

frekv

enci

ja

frekv

enci

ja

frekv

enci

ja

Page 54: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Izbor dužine prozora

13M031SVB, ETF, Beograd

54

Wavelet analiza omogućav drugačiju vremensko/frekvencijsku podelu

vreme

vreme vreme

vreme

frekv

enci

ja

frekv

enci

jafre

kven

cija

frekv

enci

ja

Page 55: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer

13M031SVB, ETF, Beograd

55

WT STFT

Page 56: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer

13M031SVB, ETF, Beograd

56

WT STFT

Page 57: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Kontinualna wavelet transformacija

13M031SVB, ETF, Beograd

57

*1,x xtCWT s x t dt

ss

*,

*,

,

1x x s

s

CWT s x t t dt

ttss

Translacija – τ – mera vremenaScale – s – mera frekvencije –veća vrednost odgovara nižojfrekvenciji

Transformacija je niz konvolucija sa skaliranom i pomerenom prototip funkcijom (mother wavelet)

Page 58: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Diskretna wavelet transformacija

13M031SVB, ETF, Beograd

58

Parametar s dobija diskrente vrednosti, tipično 2, 4, 8…

U implementaciji se svodi na oktavnu filtarsku banku sa savršenomrekonstrukcijom, gde se filtri banke analize biraju tako da odgovaraju nekoj određenoj wavelet transformaciji

Page 59: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

• Realizovane preko dvokanalnih banaka• U slučaju wavelet transformacije, parametri filtra zavise od tipa transformacije

• Na svakom niovu dobija se signal „aproksimacije“ i signal „detalja“

• Poslednja aproksimacija predstavlja LP (najniži u spektru) deo signala

• Signal se rekonstruiše prolaskom kroz banku sinteze• Praktično, poslednja aproksimacija i svi detalji daju signal (uz odgovarajuće filtre u banci sinteze)

Oktavne filtarske banke – tree struktura

13M031SVB, ETF, Beograd

59

Page 60: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Oktavna banka analze(realizovana pomoću dvokanalnih banki)

13M031SVB, ETF, Beograd

60

Nivo 1

2

HA

2

2

HA

2

2

HA

2

2

HA

2 G0

G1

G2

G3

G4

X

Nivo 2 Nivo 3 Nivo 4

Page 61: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Oktavna banka sinteze(realizovana pomoću dvokanalnih banki)

13M031SVB, ETF, Beograd

61

Page 62: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

• Do sada smo pomenuli ortogonalne filtarske banke (N0 – red filtra)

• Gde je filtar H0 dobijen faktorizacijom polinoma, kao faktor minimalne faze filtra linearne faze (dobijenog od proizvoljnog filtra linearne faze „podizanjem“ i skaliranjem amplitudske karakteristike)

Dvokanalne banke sa savršenom rekonstrukcijom

13M031SVB, ETF, Beograd

62

101

0 zHzzH N

zHzFzHzF 0110 2,2

10 0LPHBH H z H z

Page 63: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

• U principu se različiti tipovi transformacije dobijaju izborom filtra H0 i/ili različitim faktorizacijama

• Na primer, ako se faktorizacija uradi tako da faktori ostanu linearne faze dobija se biortogonalna filtarska banka, kod koje ne postoji simetrija u karakteristici filtara, ali su filtri u banci analize linearne faze

Wavelet transformacija kaooktavna filtarska banka

13M031SVB, ETF, Beograd

63

LPHBH z

Page 64: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer 1

13M031SVB, ETF, Beograd

64

clear all close allwname = 'db5'; % Set wavelet name. % Compute the four filters associated with wavelet name given by the input string wname.[h0,h1,g0,g1] = wfilters(wname); N = 10; % The length of db5 filter% Test signal x=[zeros(size(1:100)),0.01*(1:100),zeros(size(201:511))]; figure (1) subplot(3,1,1) plot(x) title('Figure 1: Test signal') xlabel('Time index n') axis([0,512,‐0.2,1.2]) % Signal analysis %

Page 65: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer 1

13M031SVB, ETF, Beograd

65

h0 lp maksimalne faze

Page 66: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer 1

13M031SVB, ETF, Beograd

66

Page 67: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer 1

13M031SVB, ETF, Beograd

67

Filtri u banci analize su komplementarni po snazi ali nisu linearne faze

Page 68: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer 1

13M031SVB, ETF, Beograd

68

aproksimacija

DETALjI

Page 69: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer 1

13M031SVB, ETF, Beograd

69

Savršena rekonstrukcija

Page 70: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer 2

13M031SVB, ETF, Beograd

70

clear all close allwname = 'bior1.5'; % Set wavelet name. % Compute the four filters associated with wavelet name given by the input string wname. [h0,h1,g0,g1] =wfilters(wname);N=length(h0);x=[zeros(size(1:100)),0.01*(1:100),zeros(size(201:511))]; figure (1) subplot(3,1,1) plot(x) title('Figure 1: Test signal') xlabel('Time index n') axis([0,512,‐0.2,1.2]) % Signal analysis %

Page 71: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer 2

13M031SVB, ETF, Beograd

71

h0 lp linearnefaze

Page 72: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer 2

13M031SVB, ETF, Beograd

72

Page 73: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer 2

13M031SVB, ETF, Beograd

73

Filtri u banci analize nisu komplementarni ali su linearne faze

Page 74: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer 2

13M031SVB, ETF, Beograd

74

aproksimacija

DETALjI

Page 75: Sistemisaviše brzina (13M031SVB) Deo 6

Primer 2

13M031SVB, ETF, Beograd

75

Savršena rekonstrukcija