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.