Sinais e Sistemas(Introdução)

Tsang Ing Ren - tir@cin.ufpe.brUFPE - Universidade Federal de Pernambuco

CIn - Centro de Informática

Baseadas no material do Prof. Aluizio Fausto Ribeiro Araújo

Tópicos

• Objetivos

• Conteúdo

• Referências

• Avaliação

• Estrutura de Apoio

2

Objetivos

• Principal Objetivo– Tratamento abrangente de sistemas e sinais lineares em nível

introdutório, compreendendo:

• Fermentas para modelagem, análise e projeto de sistemaslineares contínuos e discretos;

• Ferramentas para modelagem, análise e processamento de

3

• Ferramentas para modelagem, análise e processamento desinais lineares contínuos e discretos.

• Objetivos Secundários– Fundamentar estudante para conjunto de disciplinas que lidam

sinais e sistemas, tais como, processamento de sinais,princípios de comunicação, sistemas de controle, circuitoselétricos, robótica, etc.

Conteúdo

• Revisão Matemática

• Introdução a Sinais e Sistemas (Capítulo 1)

• Análise de Domínio do Tempo de Sistemas em Tempo Contínuos (Capítulo 2)

• Análise de Domínio do Tempo de Sistemas em Tempo Discreto (Capítulo 3)

• Análise de Sistemas em Tempo Contínuo Usando a Transformada de Laplace (Capítulo 4)

• Análise de Sistemas em Tempo Discreto Usando a Transformada Z (Capítulo 5)

4

• Análise de Sistemas em Tempo Discreto Usando a Transformada Z (Capítulo 5)

• Análise de Sinais no Tempo Contínuo: A Série de Fourier (Capítulo 6)

• Análise de Sinais no Tempo Contínuo: A Transformada de Fourier (Capítulo 7)

• Amostragem: A ponte entre Contínuo e Discreto (Capítulo 8)

• Análise Fourier de Sinais em Tempo Discreto (Capítulo 9)

• Filtros Contínuos no Tempo

• Filtros Digitais

Conteúdo Detalhado

• Revisão Matemática• Introdução a Sinais e Sistemas (Capítulo 1)

– Sinais– Classificação de Sinais– Alguns Modelos Úteis de Sinais– Sistemas– Classificação de Sistemas– Modelos de Sistemas: Descrição Entrada-Saída

5

– Modelos de Sistemas: Descrição Entrada-Saída

• Análise de Domínio do Tempo de Sistemas em Tempo Contínuos (Capítulo 2)– Resposta do Sistema a Condições Internas– Resposta do Sistema à Entrada Externa– Estabilidade do Sistema– Comportamento de Sistemas

Conteúdo Detalhado

• Análise de Domínio do Tempo de Sistemas em Tempo Discreto (Capítulo 3)– Modelos Úteis com Sinais– Exemplos de Sistemas em Tempo Discreto– Resposta do Sistema a Condições Internas– Resposta do Sistema à Entrada Externa– Estabilidade do Sistema

• Análise de Sistemas em Tempo Contínuo Usando a Transformada de Laplace

6

• Análise de Sistemas em Tempo Contínuo Usando a Transformada de Laplace (Capítulo 4)– Transformada de Laplace– Realização de Sistemas

Conteúdo Detalhado

• Análise de Sistemas em Tempo Discreto Usando a Transformada Z (Capítulo 5)– A Transformada Z– Algumas propriedades da Tranformada Z

• Análise de Sinais no Tempo Contínuo: A Série de Fourier (Capítulo 6)– Representação de Sinais Periódicos pela Série Trigonométrica de Fourier– Existência e Convergência da Série de Fourier

7

– Existência e Convergência da Série de Fourier– Série Exponencial de Fourier– Resposta do Sistema LCIT a Entradas Periódicas

Conteúdo Detalhado

• Análise de Sinais no Tempo Contínuo: A Transformada de Fourier (Capítulo 7)– Representação de Sinais não Periódicos pela Integral de Fourier– Propriedades da Transformada de Fourier– Transmissão de Sinal Através de Sistemas LCIT

• Amostragem: A ponte entre Contínuo e Discreto (Capítulo 8)– Teorema da Amostragem

8

– Teorema da Amostragem– Reconstrução do Sinal

• Aplicações

Referências

• Livro texto

– Lathi, B. P. (2007). Sinais e Sistemas. Artmed Editora, Bookman;segunda edição.

• Livros para consulta

– Roberts, M. J. (2009). Fundamentos em Sinais e Sistemas. McGrawHill.

9

Avaliação

• Avaliações

– Prova 1

– Prova 2

– Projeto = Apresentação (30%) + Implentação (30%) + Relatório (30%) + Presença (10%)

• Nota = Prova 1 (35%) + Prova 2 (35%) + Projeto (30%)

10

Monitores

• Danilo Laurindo Souza de Araujo• José Ivson Soares da Silva• Diego Fernando Ferreira de Araujo• Hector Pinheiro

11

Estrutura de Apoio

• Página (~\es413)

– Transparências;

– Links interessantes.

• Monitoria

– Horários para exercícios e dúvidas (ver site da disciplina);

– Exercícios em sala de aula;

12

– Exercícios em sala de aula;

• Programas para praticar

– Scilab (http://www.scilab.org/)

– Matlab (http://www.mathworks.com/)

Perfil Processamento de Sinais

Universidade Federal de Pernambuco – UFPECentro de Informática - CIn

13

• Processamento de Sinais - consiste na análise e/oumodificação de sinais de forma a extrair informações dosmesmos e/ou torná-los mais apropriados para alguma aplicaçãoespecífica. O processamento de sinais pode ser feito de formaanalógica ou digital.

• Sinais – é um conjuntos de dados ou informações, umaquantidade variável no tempo ou espaço. Ex: movimento, som,

O que é Processamento de Sinais

quantidade variável no tempo ou espaço. Ex: movimento, som,videos, imagens…

14

ADC DACDigital Signal

Processor

Analogue to Digital Converte

r

Digital to Analogue Converte

r

Input Signal

Output

Signal

Perfil Curricular

15

Perfil de Processamento de Sinais

Infra-estrutura de Hardware, Infra-estrutura de Comunicação, Sinais e Sistemas, Circuits, Eletrônica, Comunicação Digital

ProcessamentoGráfico

ProcessamentoDigital de Sinais

Análise de Imagens eVisão Computacional

Análise de Voz e Vídeo

ProcessamentoDe Imagens

Comunicação sem Fio 2

Simulação Estocásticapara comunicação

16

Tópicos Avançados em Sinais

Trabalho de Graduação Iniciação CientificaSeminário em Sinais

Projeto de Monitoria

Cursos

• Sinais e Sistemas• Eletromagnetismo• Servomecanismo• Princípios de Comunicação• Processamento Digital de Sinais• Processamento de Imagens• Análise de imagens e Visão computacional• Análise de Voz e Vídeo• Comunicações Digital• Processamento de Voz• …

17

• Processamento de Sinais Analogico• Processamento de Sinais Digitais – DSP, FPGAs, ASICs • Processamento e Reconhecimento de Imagens• Processamento e Reconhecimento de Voz• Processamento de Sinais Biomédico• Processamento de Video e Audio

Áreas

• Processamento de Video e Audio• ….

18

0.2

0.3

Vo

lta

ge

[V

]

0.1

0.2

0.3

Vo

lta

ge

[V

]

Continuous functionContinuous function V of continuouscontinuous variable t (time, space etc) : V(t).

AnalogDiscrete functionDiscrete function Vk of discretediscrete sampling variable tk, with k = integer: Vk = V(tk).

Digital

19

-0.2

-0.1

0

0.1

0 2 4 6 8 10

time [ms]

Vo

lta

ge

[V

]

-0.2

-0.1

0

0.1

0 2 4 6 8 10sampling time, tk [ms]

Vo

lta

ge

[V

]

ts

Uniform (periodic) sampling. Sampling frequency fS = 1/ tS

Processamento Digital de Sinal (DSP)

• Mais Flexivel.

• Na maiora das vezes mais fácil de upgrade.

VantagensVantagens

• A/D & velocidade de procesamento de sinal: Sinais de Banda-larga ainda são

LimitaçõesLimitações

20

upgrade.

• Dados são facilmente armazenados.

• Melhor controle nos requerimento da presisão.

• Reproduzível.

de Banda-larga ainda são dificieis de ser tratados nos sistemas de tempo real.

• Efeito de palavras finito.

Onde é usado

21

Processamento de Voz

22

• Codificação/Compressão • Sintese• Reconhecimento

Propriedades da Voz

The blue--- s---p--o---------t i-s--on--the-- k--ey a---g--ai----n-----

23

The blue--- s---p--o---------t i-s--on--the-- k--ey a---g--ai----n------

“k” in “key”

Propriedades da Voz

“ee” in “key”“o” in “spot”“oo” in “blue” “e” in “again”

Vogais

•Quasi-periódico

•Potência do sinal relativavemente alta

24

“s” in “spot” “k” in “key”

Consoantes

•Potência do sinal relativavemente alta

•Não-periódico (randomico)

•Potência do sinal relativamente baixa

Codificação do Sinal

MSC

TRAU

25

BTS

BSC

MSC64 kbits/s

13 kbits/s

22.8 kbits/s

Original Speech

Analysis:• Voiced/Unvoiced

decision• Pitch Period (voiced

only)• Signal power (Gain)

Encoder

26

G

Pulse Train

Vocal TractModel

V/U

Synthesized Speech

Decoder

• Signal power (Gain)

Signal PowerPitch

Period

LPC-10:

Text-to-speech

To be ornot to bethat is thequestion

Textnormalizatio

nexpandsabbreviations

Parsing Pronunciation

Tu bee awrnawt tu beedhat iz dhekwestchun

semantic &syntactic ‘parts

phonetic descriptionof each word, dictionary

phonetic formInputtext

27

abbreviationsdates, times,money..etc

Prosodyrules

syntactic ‘partsof speech’ analysis of text

of each word, dictionarywith letter-to-sound rules as a back up

Waveformgeneration

Synthesized speech

Apply wordstress, durationand pitch

Phonetic-to-acoustictransformation

Reconhecimento de Voz

Feature Phoneme

Phonememodels

SentenceWord

Wordpronunciation

Semanticknowledge

28

Featureextractionspeech Phoneme

recognitionSentence

recognitionWord

recognition decision

Syntacticknowledge

Dialogueknowledge

Imagens e Videos

29

30

31

32

33

34

−−−−

−

−

≈

)1,1()1,1()0,1(

)1,1()1,1()0,1(

)1,0()1,0()0,0(

),(

NMfMfMf

Nfff

Nfff

yxf

L

MM

L

L

35

36

Ruído sinoidal

Espectro de FourierButterworth

Filtro rejeita banda

37

Espectro de Fourier Filtro rejeita banda

Imagem finalFiltro banda rejeitaImagem com ruído

Reconhecimento de caracteres

38

39

Reconhecimento de Face

Reconhecimento de

Reconhecimento de Assinaturas

Reconhecimento de Caracteres

Reconhecimento de Manuscritos

40

Reconhecimento de Impressão Digital

Reconhecimento de Cheiro

Reconhecimento de Voz

Análise de Crédito

Mineração de Dados

Driving

Síntese de VozÍris

Retina

Perfil VLSI/DSP

Infra-estrutura de Software, Infra-estrutura de Hardware, Infra-estrutura de Comunicação,Eletrônica, Circuitos, Comunicação Digital, Física para Engenharia da Computação

41

Prototipação deCircuitos Integrados

Processamento devoz

ProcessamentoDigital de Sinais

Processamento De imagem

Circuitos Integrados 1

Tópicos Avançados em VLSI

Trabalho de Graduação Iniciação CientificaSeminário em VLSI

Iniciação à Monitoria

CircuitosIntegrados 2

MedidasEletromagnéticas

InterferênciaEletromagnética

SistemasDistribuídos

Projeto de SWDistribuído

Perfil Robótica

Análise de Imagense Visão Computacional

Sinais e Sistemas

ProcessamentoGráfico

Mecânica Dinâmica e Manipulação

Engenharia de Sistemas Embutidos

42

Engenharia de Conhecimentoe SistemasEspecialistas

AgentesAutônomos

Aprendizagem de Máquina

e Visão Computacional

Robótica

AutomaçãoInteligente

Projeto de Mecatrónicae Robótica

SistemasInteligentes

Gráfico

Otimização

Percepção Computacional e Reconhecimento

de Padrões

Sistemas deTempo Real

Transdutores

Microcontroladores

Perfil Biotecnologia

Infra-estrutura de Software, Infra-estrutura de Hardware, Infra-estrutura de Comunicação,Eletrônica, Circuitos, Comunicação Digital, Física para Engenharia da Computação

43

Planejamento e Gerenciamento de

Projetos

Bioquímica dosSistemas vivos

Telesaúde

Aquisição de sinais biológicos

Trabalho de Graduação Iniciação CientificaSeminário em Engenharia da Computação

Projeto deMonitoria

Instrumentação

Protocolos deComunicação

Automação hospitalar

Análise de Imagense Visão Computacional