ELABORAZIONE ELETTRONICA DEI SEGNALI DIGITALI  LS

Giorgio Baccarani

 

Finalità del corso

Lo scopo del corso è quello di illustrare le metodologie di trattamento dei segnali digitali nei moderni sistemi elettronici operanti in tempo reale, con particolare riferimento ai sistemi di telecomunicazioni, di automazione industriale e, più in generale, ai sistemi di elaborazione digitale dell’informazione. Il tratto comune a questi sistemi è l’uso di un DSP programmabile, ovvero di un elaboratore la cui architettura è concepita per svolgere in modo efficiente operazioni aritmetiche ripetitive, pur essendo allo stesso tempo sufficientemente flessibile per poter essere programmato per la esecuzione di funzioni anche molto diversificate.

L’organizzazione del corso prevede, accanto alle lezioni in aula, un ciclo di esercitazioni in laboratorio con le quali gli studenti avranno l’opportunità di progettare un modulo di un sistema di elaborazione digitale dell’informazione basato su DSP programmabile. Esempi tipici potranno comprendere: 1) Generazione di forme d’onda; 2) Progetto e implementazione di filtri digitali a risposta impulsiva finita (FIR); 3) Progetto e implementazione di filtri digitali a risposta impulsiva infinita (IIR); 4) Progetto e realizzazione di filtri adattativi; 5) Generazione di sequenze binarie pseudo-aleatorie; 6) Cancellazione di eco; 7) Conversione di frequenza con modulanti complesse; 8) Demodulazione di frequenza; 9) Sincronizzazione del clock nei circuiti per TLC.

 

Programma del corso

Architettura del DSP TMS320C55x. Schema a blocchi del DSP TMS320C55x. Strumenti di sviluppo software: compilatore C, assemblatore, linker. Metodi di indirizzamento: metodo diretto, indiretto, assoluto, circolare. Indirizzamento ai registri mappati sulla memoria. La pipeline del DSP TMS320C55x. Esecuzione parallela sul TMS320C55x. Set di istruzioni: istruzioni aritmetiche, logiche, di manipolazione dei bit. Istruzioni di controllo del flusso di programma. Programmazione mista in C e in linguaggio assemblativo. Applicazioni ed esperimenti.

 

Analisi dei segnali. Introduzione sui segnali analogici, tempo-discreti e digitali. Richiami sulla trasformata tempo-discreta di Fourier. Il teorema di Shannon. Dualismo tempo-frequenza. Trasformata zeta e sue proprietà. Relazione fra trasformata zeta e trasformata tempo-discreta di Fourier. Trasformazione zeta inversa. Trasformazioni lineari fra segnali tempo-discreti. Funzione di trasferimento. Convoluzione reale. Correlazione fra segnali.

 

Progetto e implementazione di filtri FIR. Filtri a risposta impulsiva finita (FIR) e loro realizzazione. Funzione di trasferimento dei filtri FIR. Caratteristiche dei filtri FIR e loro proprietà in relazione all’esistenza di condizioni di parità dei coefficienti. Specifiche del filtro. Progetto di filtri FIR: il teorema delle alternanze e l’algoritmo di Remez. Progetto di filtri FIR con MATLAB. Esperimenti implementativi di filtri FIR su DSP TMS320C55x.

 

Progetto e implementazione di filtri IIR. Filtri a risposta impulsiva infinita (IIR). Funzione di trasferimento dei filtri IIR. Teoremi e criteri di stabilità dei filtri IIR. Realizzazione di filtri IIR in forma canonica, per scomposizione in blocchi serie o parallelo, e a scala. Richiami sui filtri analogici. Approssimazione ai filtri analogici: filtri di Butterworth, di Tschebyscheff, di Bessel ed ellittici. Conversione di un filtro analogico in un filtro a valori tempo-discreti: il metodo della risposta impulsiva invariante e sua estensione ai filtri dotati di zeri. Il metodo della trasformazione bilineare. Effetti di quantizzazione: precisione, instabilità, cicli limite. Progetto di filtri IIR con MATLAB. Esperimenti implementativi di filtri IIR su DSP TMS320C55x.

 

Trasformata rapida di Fourier (FFT) e sue applicazioni. Trasformata discreta di Fourier: definizioni e proprietà. Trasformata rapida di Fourier: decimazione nel dominio del tempo e delle frequenze. Trasformazione inversa di Fourier. Implementazione della FFT con MAT-LAB. Considerazioni implementative: efficienza computazionale; effetti della precisione finita. Applicazioni: stima e analisi spettrale; convoluzione rapida. Esperimenti: FFT complessa in radice 2; FFT e IFFT; convoluzione rapida. 

 

Filtraggio adattivo. Introduzione ai processi aleatori. Funzioni di correlazione. Filtri adattivi. Metodi di ottimizzazione: algoritmi “Steepest Descent” e LMS. Analisi delle prestazioni: stabilità, convergenza, scarto quadratico medio. Applicazioni: Identificazione del sistema adattivo; predizione lineare adattiva; cancellazione adattiva del rumore; equalizzazione adattiva del canale.

 

Testi consigliati:

S. M. Kuo, B. H. Lee: Real-Time Digital Signal Processing, Wiley, 2001.

A. Antoniou: Digital Filters: Analysis and Design, Mc Grow-Hill, 1979.

E. C. Ifeachor, B. W. Jervis: Digital Signal Processing, Prentice Hall, 2002.

A. V. Oppenheim, R. V. Shafer: Discrete Time Signal processing, Prentice Hall International, 1995.