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Procesamiento Digital de Señal

    Tema 2 : Análisis de Señal e Introducción a los Sistemas
             • Definición de señal y sistema
             • Señales continuas y discretas
             • Transformaciones elementales
             • Funciones elementales continuas y discretas
             • Definición de sistemas y propiedades



                                           Francisco.Gomez@ii.uam.es




                            Señales

•   Definición de Señal
     – Las señales son patrones de variación que representan
       información codificada.
     – Una señal se define como una magnitud física que varía con el
       tiempo el espacio o cualquier otra variable independiente y
       permite transmitir información.
       Ejemplos:
     – El sonido es una función de una variable, el tiempo, para cada
       instante de tiempo (variable independiente) existe un valor
       único de la función (variable dependiente).
     – Una imagen es un función de dos variables (x,y), o si está en
       movimiento de tres variables(x,y,t) que toma un valor que
       codifica el color RGB del punto en cada instante.

                                           Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                        1
Señales

•   Señales continuas y discretas.
     – Analógicas, x(t) : Amplitud y Tiempo continuos.
     – Muestreadas, xs[n] : Tiempo Discreto, Amplitud continua.
     – Cuantizada, xQ(t) : Tiempo Continuo, Amplitud discreta.
     – Digital, xQ[n] : Tiempo y Amplitud discretos.




                             t                         t




                             t                         t


                                          Francisco.Gomez@ii.uam.es




                            Señales
Definición de Energía y Potencia de una señal:
                                        ∞
   – Energía de una señal :
                                  E x = ∫ x ( t ) dt
                                                 2

                                          −∞
    – Potencia de una señal :
                                             1
                                                  ∫ x(t )
                                                            2
                                   Px = lim                     dt
                                       T0 →∞ T0   T0


Clasificacion en función de su energía y potencia
   – Una señal se dice que es de energía si Ex es finito, lo que
      implica que Px es 0. Ej. Pulsos limitados en el tiempo.
   – Una señal se dice que es de potencia si Px es finito, lo que
      implica que Ex es infinito. Ej. Una señal periódica.


                                          Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                      2
Señales

Propiedades de las señales para su clasificación
   – Continuas: Se definen para todo tiempo t.

   – Periódicas: Aquellas que verifican xp(t) = xp(t±nT),
          donde T es el periodo y n es un entero.
   – Causales: Son 0 para t<0.
          Se definen sólo para el eje positivo de t.
   – Anticausales: Son 0 para t>0.
          Se definen sólo para el eje negativo de t.
   – No causales: Se definen para todo el eje de t.



                                              Francisco.Gomez@ii.uam.es




                              Señales

Clasificación de señales basadas en simetrías:
   – Simetría Par: x(t) = x(-t)
   – Simetría Impar: x(t) = -x(-t)

   Ejercicio: Se pide demostrar que una señal no simétrica
     puede siempre expresarse como la suma de una función
     par fp(t) y una función impar fi(t) .




                                              Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                          3
Señales

Transformaciones elementales:
   Desplazamiento en el tiempo:
   – Señal adelantada y retrasada en el tiempo
      • x(t-t0), desplazamiento a la derecha. (Retrasada)
      • x(t+t0), desplazamiento a la izquierda. (Adelantada)
   Reflexión:
   – Inversión en el tiempo de x(t) = x(-t)
   Cambios lineales de escala en la variable independiente:
   – Compresión en el tiempo de x(t) = x(2t)
   – Dilatación en el tiempo de x(t) = x(t/2)


                                                 Francisco.Gomez@ii.uam.es




                             Señales

•   Ejemplos de Transformaciones elementales:
     Sea
                 s ( t ) = t , para 0 ≤ t ≤ 1
                 s ( t ) = 1 2 ( 3 − t ), para 1 ≤ t ≤ 3
                 s ( t ) = 0 , para el resto

    El desplazamiento en el tiempo y(t) = s (t-2) es:

                 y ( t ) = t − 2 , para 2 ≤ t ≤ 3
                 y ( t ) = 1 2 ( 5 − t ), para 3 ≤ t ≤ 5
                 y ( t ) = 0 , para el resto



                                                 Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                             4
Señales


Funciones elementales(continuo) :         Funciones elementales(discreto) :

    – Escalón unidad : u(t)                  – Escalón unidad : u(t)
         u (t ) = 0 , t 〈 0                        u [ n ] = 0 , para n 〈 0
         u ( t ) = 1, t 〉 0                        u [ n ] = 1, para n ≥ 0


    – Impulso δ(t) o función delta de        – Impulso unitaro δ[n] o delta de
      Dirac                                      Kronecker
          δ (t ) = 0 , t ≠ 0
           ∞
                                                   δ [ n ] = 0 , para n ≠ 0
           ∫ δ (τ ) d τ   =1                       δ [ n ] = 1, para n = 0
          −∞




                                                 Francisco.Gomez@ii.uam.es




                               Señales

Otras Funciones elementales:
   – Escalón unidad : u(t)
   – Rampa : r(t)=t u(t)
   – Pulso : u(t+1/2)-u(t-1/2)
   – Triangular : tri(t)=r(t+1)-2r(t)+r(t-1)

    – Seno Cardinal , Senc :

                                    sen (π t )
                   senc ( t ) =
                                       πt


                                                 Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                 5
Señales

            Función delta de Dirac                         Función triangular unidad                      Función rampa unidad
                                                                                               2
  1                                             1

 0.8                                           0.8                                            1.5

 0.6                                           0.6                                             1
 0.4                                           0.4
                                                                                              0.5
 0.2                                           0.2
  0 -2 -1.5 -1 -0.5 0                           0                                              0
                               0.5 1   1.5 2         -2      -1       0        1       2        -2                  0            2
                  Tiempo (t)                                      Tiempo (t)                                  Tiempo (t)
            Función pulso unidad                          Función escalón unidad                             Función Sinc
 1                                              1                                                 1
                                                                                       0.8
0.8                                            0.8
                                                                                       0.6
0.6                                            0.6                                     0.4
0.4                                            0.4                                     0.2
0.2                                            0.2                                                0

 0                                                                                     -0.2
                                                0
 -2          -1       0           1       2     -2          -1        0        1       2          -5                0            5
                  Tiempo (t)                                      Tiempo (t)                                  Tiempo (t)

                                                                                   Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                          Señales

       Propiedades de interés entre las funciones elementales:

                          d u (t )
        δ (t ) =                                                          δ [ n ] = u [ n ] − u [ n − 1]
                            dt
                                                                                       ∑
                                                                                              ∞
                           t
                                                                           u[ n ] =                    δ [n − k ]
        u (t ) =          ∫
                          − ∞
                                δ (τ ) d τ                                                    k =0



                                   1
      δ [α ( t − β )] =                ⋅ δ (t − β )                       x[ n ]δ [ n ] = x[ 0 ]δ [ n ]
                                  α
       x ( t ) ⋅ δ ( t − α ) = x (α ) ⋅ δ ( t − α )                       x[ n ]δ [ n − n0 ] = x[ n0 ]δ [ n − n0 ] = x[ n0 ]
       ∞

       ∫ x ( t ) ⋅ δ ( t − α ) ⋅ dt
       −∞
                                          = x (α )




                                                                                   Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                                                                     6
Procesamiento Digital de Señal

     Sistemas Lineales e Invariantes en el Tiempo
                       • Sistemas LTI. Principio de Superposición
                       • Respuesta al impulso de un sistema LTI
                       • Concepto y definición convolución
                       • Representación de sistemas en tiempo discreto.




                                                                             Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                Sistemas

•     Un sistema físico es un conjunto de dispositivos conectados entre
      sí, cuyo funcionamiento está sujeto a leyes físicas.
       – Desde nuestro punto de vista, es todo aquello que realiza un
          proceso sobre una señal ≡ un procesador de señal.
    La representación de un sistema en tiempo continuo se realiza normalmente a
    través de ecuaciones diferenciales. Se relacionan la salida y(t) y la entrada x(t)
    mediante constantes, parámetros y variables independientes (tiempo):

         d n y(t )      d n −1 y (t )               dy (t )                  d m x(t )               dx (t )
    a0        n
                   + a1       n −1
                                      + ... + an −1         + an y (t ) = b0      m
                                                                                       + ... + bm −1         + bm x(t )
           dt             dt                         dt                        dt                     dt
    La representación de un sistema en tiempo discreto se realiza por su ecuación en
    diferencias o por su diagrama de bloques.
                                              N −1                    M −1
                                   y[n] = −∑ ak • y[n − k ] + ∑ bk • x[m − k ]
                                               k =1                   k =0

                                                                             Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                                                          7
Sistemas


• La señal o señales a ser procesadas forman la excitación o
  entrada x del sistema.
•  La señal procesada es la respuesta o salida y del sistema.
Dominios de interés:
   – El análisis de sistemas implica el estudio de la respuesta del
     sistema a entradas conocidas.
   – La síntesis de sistemas se realiza especificando las salidas que
     deseamos para una entradas dadas y estudiando que sistema
     es el más adecuado (Identificación de sistemas).



                                              Francisco.Gomez@ii.uam.es




                              Sistemas
           x(t)              y(t)          x: entrada del sistema
                                           y: salida del sistema
                  x[n]              y[n]   t ó n ; variable independiente


    •   Clasificación de los sistemas:
         – Lineales: Los coeficientes no dependen de x ó y. No hay
           términos constantes.
         – No lineales: Los coeficientes dependen de x ó y. Hay
           términos constantes.
         – Invariantes en el tiempo: Los coeficientes no dependen de t.
         – Variantes en el tiempo: Los coeficientes son funciones
           explícitas de t.

                                              Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                            8
Sistemas

 •   Propiedades que definen los sistemas:
      – Continuos.
      – Discretos
      – Lineales
      – Invariantes en el tiempo
      – Con Memoria.
      – Invertibles
      – Causales
      – Estables e Inestables



                                             Francisco.Gomez@ii.uam.es




                    Sistemas Lineales


Definición de sistema Lineal
   – Sea y1(t) la respuesta de un sistema a una entrada x1(t), y sea y2(t)
      la salida correspondiente a la entrada x2(t). Entonces el sistema es
      lineal si :

     1. La respuesta a x1(t)+ x2(t) es y1(t)+ y2(t)
                       PROPIEDAD de ADITIVIDAD
     2. La respuesta a kx1(t) es ky1(t) donde k es una constante compleja
        cualquiera
                       PROPIEDAD de ESCALAMIENTO u HOMOGENIEDAD



                                             Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                             9
Principio de Superposición
Un sistemas lineal satisface el principio de superposición:
    – Si al aplicar individualmente, como entradas al sistema, las señales x1(t), x2(t), ...
       ,xn(t))
    – obtenemos como salida del sistema las señales y1(t), y2(t), ...,yn(t)).

                                 x1(t)                      y1(t)
                                   x2(t)                      y2(t)

                                        x3(t)                   y3(t)

    – La respuesta del sistema a una señal de entrada x(t) formada por la combinación
      lineal de dos o más señales
          x(t) = ax1(t)+b x2(t) +...+ kxn(t)
        es igual a la combinación lineal de la suma de las respuestas del sistema a cada
          una de las señales
          y(t) = ay1(t)+ by2(t) +...+ kyn(t)           x(t)                    y(t)


                                                            Francisco.Gomez@ii.uam.es




            Sistemas Invariantes en el tiempo

Se dice que un sistema es invariante en el tiempo cuando su
   comportamiento y sus características permanecen fijos en el tiempo
   –   La respuesta y(t) depende sólo de la entrada x(t) y no de en que
       tiempo se aplica al sistema .

   Si T{x(t)} = y(t), entonces T{x(t- t)} = y(t- t ), donde T{ } representa el sistema. Por
      tanto, conocida y(t) si el sistema es invariante la salida a x(t- t ) se pueda calcular
      a partir de un desplazamiento temporal.


         x(t)                    y(t)              x(t-t)
                                                                                 y(t- t)

                                                                                 y(t- t)
                                                (t- t)

                                                            Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                                10
Sistemas LTI

•   Muchos sistemas continuos de interés son del tipo lineal
    invariante en el tiempo (LTI).
    –   La respuesta al impulso de un sistema se representa por h(t) y
        corresponde a la salida de un sistema LTI cuando la entrada es la
        señal impulso unidad d( t).
                              δ(t)                 h(t)

    –   A partir de la respuesta al impulso se puede estudiar la respuesta a
        cualquier tipo de entrada. Para ello basta con conseguir expresar la
        entrada x(t) en función del impulso unidad
    –   Por esta razón h(t) también se denomina función de transferencia del
        sistema.



                                                  Francisco.Gomez@ii.uam.es




        Concepto y Definición de Convolución


Mediante la convolución calcularemos la respuesta de un sistema
  (y(t)) a una entrada arbitraria (x(t)).
• Dos condiciones para realizar la convolución:

   – Sistema LTI.
   – Se conoce que la respuesta al impulso del sistema es h(t).
•   Basándonos en el principio de superposición y en que el sistema
    es invariante en el tiempo:
           Si T {δ (t )} = h(t ) → T {K ⋅ δ (t − t0 )} = K ⋅ h(t − t0 )
•   Una señal arbitraria de entrada x(t) puede expresarse como un
    tren infinito de impulsos.


                                                  Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                               11
Definición de Convolución

Una señal arbitraria de entrada x(t) puede expresarse como un
tren infinito de impulsos.
                                                                    ∞                t=0
   Se define la función                                δ (t ) = 
   impulso d(t) como:                                               0                t≠0

   y su versión desplazada                                               ∞                t = t0
                                                     δ (t − t 0 ) = 
                                                                         0                t ≠ t0
   con las siguientes                                 ∞
   propiedades:
                                                      ∫ δ (τ )dτ = 1
                                                      −∞
                                                      ∞

                                                      ∫ x(τ )δ (t − τ )dτ = x(t )
                                                      −∞
                                                                    Francisco.Gomez@ii.uam.es




              Concepto y Definición de Convolución


 La última propiedad permite la descomposición de una entrada
 arbitraria x(t) como una suma de impulsos mediante la formula:
                                          ∞
                             x(t ) =      ∫ x(τ )δ (t − τ )dτ
                                         −∞

  Aplicando el principio de superposición al ser un sistema LTI:
                     ∞                       ∞                            ∞
  y(t) = T{x(t )} = T ∫ x(λ) ⋅δ (t − λ) ⋅ dλ = ∫ x(λ) ⋅T{δ (t − λ)}⋅ dλ = ∫ x(λ) ⋅ h(t − λ) ⋅ dλ = x(t ) ∗h(t )
                     −∞                      −∞                          −∞


   Mediante convolución se consigue determinar la respuesta del sistema a
   una señal de entrada a partir de la respuesta del sistema al impulso.


                                                                    Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                                                    12
Propiedades de la Convolución

•   Supóngase que x(t)*h(t)=y(t)) entonces:
     [ x1 ( t ) + x 2 ( t ) ] ∗ h ( t ) = y 1 ( t ) + y 2 ( t )
     [K 1 x1 ( t ) + K 2 x 2 ( t ) ]∗ h ( t ) = K 1 y1 ( t ) + K 2 y 2 ( t )
     x (t ) ∗ h (t − α ) = y (t − α )
     x (t − α ) ∗ h (t − β ) = y (t − α − β )
     δ (t ) ∗ h (t ) = h (t )                                                  d(t)                     h(t)
     x ( t ) ∗ h ′( t ) = x ′ ( t ) ∗ h ( t ) = y ′( t )
     x ′( t ) ∗ h ′( t ) = y ′′( t )
     x m (t ) ∗ h n (t ) = y m + n (t )                                        x(t)                     y(t)
                               1
     x (α t ) ∗ h (α t ) =         y (α t )
                              α
                                                                                      y(t)= x(t)*h(t)

                                                                   Francisco.Gomez@ii.uam.es




      Interpretación Gráfica de la Convolución
Enlace original: http://www.jhu.edu/~signals/convolve/index.html




                                                                   Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                                               13
Convolución Discreta

     La convolución discreta se define en base a la respuesta de un
       sistema LTI a cualquier entrada
                                                     ∞
                            y[n] = x[n]∗ h[n] =     ∑ x [k ]h [n − k ]
                                                            s    s
                                                   k = −∞



     – Este resultado se conoce como la suma de convolución y la operación del
       miembro derecho define la convolución de las secuencias x[n] y h[n]
•   Propiedades sobre la duración de la convolución discreta.
     – El índice del comienzo de la convolución es la suma de los índices de comienzo de
       las respectivas señales. Si las dos señales comienzan en n=n0 y n=n1, la convolución
       comienza en n=n0+n1.
     – Para dos secuencias de duración M y N, su convolución se extiende durante M+N-1
       muestreos.

                                                                Francisco.Gomez@ii.uam.es




                           Convolución Discreta

    Propiedades de la convolución discreta (x[n]*h[n]=y[n])
                           ∞
              y [n ] =   ∑ x [k ]h [n − k ]
                         k = −∞

             [Ax 1 + Bx 2 ]∗ h = y 1 + y 2
             x [n ]∗ h [n − α ] = x [n − α ]∗ h [n ] = y [n − α ]
             x [n − α ]∗ h [n − β ] = y [n − α − β ]

             δ [n ]∗ h[n ] = h[n ]
             h[n ] = δ [n ]∗ h[n ] = {u [n ] − u [n − 1]}∗ h[n ] = yu [n ] − yu [n − 1]
                                    ∞
             u [n ]∗ x[n ] =      ∑ x[k ]
                                  k = −∞

             {x[n ] − x[n − 1]}∗ h[n ] = y[n ] − y[n − 1]

                                                                Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                              14
Convolución Discreta

 Métodos para calcular la convolución a partir de dos secuencias
 • Método de la tira deslizante
 • Método de las Suma por Columnas
 • Método de la malla.
                                        x[n]
                                 3 1 2 -1
                                 3 1 2 -1 1
                                    6    2       4        -2    2 h[n]
                                    9    3       6        -3    3
                  y[n]   3 7     13 6        4       -3
                  n=     0 1     2 3         4        5


                                y[n]={3,7,13,6,4,-3,0,…}, n=0,1,2,...,5


                                                          Francisco.Gomez@ii.uam.es




     Interpretación Gráfica de la Convolución
Enlace original: http://www.jhu.edu/~signals/discreteconv/index.html




                                                          Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                      15
Correlación

Correlación: Es una operación similar a la convolución, con la diferencia de
  que en la correlación no se reflejar una de las señales:
                                                                    ∞

CONTINUO                                Rxy(t) = x(t) ∗∗y(t) = ∫ x(λ) y(λ −t)dλ = x(t) ∗ y(−t)
                                                                   −∞
                                                           ∞
DISCRETO                                   R xy [n ] =    ∑ x[k ]y [k − n ]       para n = 0, ± 1, ± 2, ± 3, L
                                                         k = −∞
     – La correlación nos da una medida de la similitud entre dos señales.
     – No existe la propiedad conmutativa por lo que dadas dos señales x(t) e
       y(t) se definen dos correlaciones:
                                       ∞                                                              ∞
  R xy ( t ) = x ( t ) ∗ ∗ y ( t ) =   ∫ x (τ ) y (τ      − t)dτ                      R xy [n ] =   ∑ x[k ]y [k − n ]
                                       −∞                                                           k = −∞
                                       ∞                                                              ∞
  R yx ( t ) = y ( t ) ∗ ∗ x ( t ) =   ∫ y (τ ) x (τ      − t)dτ                      R yx [n ] =   ∑ y [k ]x[k − n ]
                                       −∞
                                                                                                    k = −∞
         que sólo coinciden en t=0 : Rxy(0)= Ryx(0)
                                                                          Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                       Autocorrelación

La correlación de una señal consigo misma se denomina autocorrelación:
                                                                              ∞
CONTINUO                                    Rxx (t ) = x(t ) ∗ ∗x(t ) = ∫ x(λ ) x(λ − t )dλ
                                                                          −∞

                                                            ∞
DISCRETO                                    R xx [n ] =    ∑ x[k ]x[k − n ]       para n = 0, ± 1, ± 2, ± 3, L
                                                          k = −∞



             La autocorrelación representa la similitud entre una señal y su
             desplazada.
             El máximo de autocorrelación se obtiene cuando no hay desplazamiento
             (t=0).
             La autocorrelación es simétrica con respecto al origen, ya que
             Rxx(t)=Rxx(-t).

                                                                          Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                                                        16
Sistemas Digitales

                           Una señal discreta se puede descomponer en
 Sistema discreto            función de δ[n]                ∞
                                                   x [n ] = ∑ x [k ]δ [n − k ]
                                                                          k = −∞
x[n]                y[n]
          T                Si el sistema esta caracterizado por la respuesta
                             h[n] y es LTI
                                                    h [n ] = T {δ [ n ]}
                                                             h [n − k ] = T {δ [ n − k ]}
Sistema Lineal e           Entonces:
Invariante en el Tiempo                                          ∞

x[n]                             y [n ] = T { x[ n ]} = T { ∑ x [k ]δ [n − k ]}
                    y[n]                                     k = −∞
         h[n]                                 ∞                                    lineal
                                 y [n ] =   ∑ x[k ] T {δ [n − k ]}
                                            k = −∞
                                               ∞                               invariante
                                 y [n ] =   ∑ x[k ] h[n − k ]
                                            k = −∞

                                                  Francisco.Gomez@ii.uam.es




                Sistemas Discretos LTI

                           El sistema se caracteriza por la respuesta al
                           impulso h[n]
 Sistema discreto                              h [n ] = T {δ [ n ]}
x[n]                y[n]            Características
          T                                       Causal    h [n ] = 0 ,           n<0
                                                  Estable    ∑ h[n ] < ∞
Sistema Lineal e           La salida depende de x[n] y h[n]
Invariante en el Tiempo              y[n] es la convolucion de x[n] con h[n]
x[n]                y[n]
                            Ecuación de convolución
         h[n]
                                                                     ∞
                                    y [n ] = x[ n ] * h[ n ] =       ∑ x[k ] h[n − k ]
                                                                 k = −∞



                                                  Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                            17
Sistemas Discretos

La mayor parte de los sistemas digitales de interés son LTI

Las señales de entrada vienen dadas por secuencias y la operación
  que realiza el sistemas es una ecuación del tipo

    y [n ] + A1 y [n − 1] + A 2 y [n − 2 ] + L + A N y [n − N ]
                = B 0 x [n ] + B1 x [n − 1] + L + B M x [n − M   ]

    que se denomina ecuación en diferencia.
Es fácil comprobar que este tipo de sistema satisface
            –    Linealidad
            –    Invariancia en el tiempo


                                                 Francisco.Gomez@ii.uam.es




                    Sistemas Discretos

Clasificación de sistemas digitales
Por la respuesta del sistema h[n]
   Sistemas FIR: caracterizado por tener una respuesta al
      impulso finita
   Sistemas IIR: con respuesta al impulso infinita

En cuanto a su realización
      Sistemas No Recursivos
      Sistemas Recursivos
      Sistemas Realizables

                                                 Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                             18
Sistemas Digitales
Sistemas caracterizados por ecuaciones en diferencias finitas
Sistema de interés práctico




                                      Francisco.Gomez@ii.uam.es




                  Sistemas Digitales
Sistemas caracterizados por ecuaciones en diferencias finitas
Sistemas de interés Práctico: IMPLEMENTACION




                                      Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                  19
Sistemas Digitales
 Sistemas caracterizados por ecuaciones en diferencias finitas
 Ejemplo: sistema de orden 2




                                                    Francisco.Gomez@ii.uam.es




                       Sistemas Digitales

Sistemas caracterizados por ecuaciones en diferencias
Función de transferencia H(z)
Relacion entre la salida y la entrada del sistema H(z) = y[n]/x[n]

 Para obtener una expresión de H(z) se tiene en cuenta que almacenar un
 dato significa retrasar su uso un tiempo igual al periodo de muestreo. Este
 retraso se representa mediante z-1 (retraso de una unidad),y así z-2 (dos
 unidades, etc).
 Ejemplo:              y[n] –y[n-1] = b x[n]+b x[n-1]
                                        0       1

                      y[n] – z-1 y[n] = b0x[n]+b1 z-1 x[n]
                      (1 – z-1 )y[n] = (b0+b1 z-1 )x[n]

                      y[n]/x[n]=H(z)= (b0+b1 z-1 )/ (1 – z-1 )


                                                    Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                20
Realización de Sistemas Digitales

•       Para realizar estos sistemas digitales se debe partir de un
        diagrama con las operaciones a realizar:
         – Software :diagrama de flujo

         – Hardware: diagrama de bloques, que especifica los elementos
           del circuito y sus interconexiones.


•       Una correcta elección del diagrama de bloques puede optimizar
        significativamente las prestaciones de la realización (tiempo de
        computación, memoria necesaria, minimizar los efectos de
        cuantización, etc).


                                                               Francisco.Gomez@ii.uam.es




               Realización de Sistemas Digitales
    •   Propiedades de los diagramas de bloques
         – Conexiones en cascada: La función de Transferencia global
           de una conexión en cascada es el producto de las funciones de
           Transferencia individuales.
         – Conexiones en paralelo: La función de Transferencia global
           de una conexión en paralelo es la suma de las funciones de
           Transferencia individuales.
         – Conexión en realimentación: La salida se realimenta en la
           entrada directamente o a través de otros subsistema. La
           función de Transferencia global viene dada por la relación
                                              G( z )
                               HT (z) =
                                          1 + G( z ) H ( z )



                                                               Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                           21
Realización de Sistemas Digitales

                             H1            H2                                          H1 H2

                 Conexión de dos sistemas en Cascada



                                                  +
                                     H1               Σ
                                                          +
                                                                                       H1+H2


                                     H2

                  Conexión en paralelo de dos sistemas



                 +
                     Σ               G
                         -                                                                G
                                                                                        1+GH


                                     H

                 Un sistema sencillo con realimentación


                                                                               Francisco.Gomez@ii.uam.es




            Realización de Sistemas Digitales
•   Sistemas FIR (MA:Medium Average): Son sistemas no recursivos cuya
    función de Transferencia HMA(z) y su correspondiente ecuación diferencia y[n]
    son de la forma,
       H MA ( z ) = B0 + B1 z −1 +L+ BM z − M y[n ] = B0 x[n ] + B1 x[n − 1]+L+ BM x[n − M ]

    puede realizarse utilizando el diagrama de la figura
                              x[n]                            B0   +
                                                                       Σ             y[n]
                                                                           +

                                            z-1

                                                              B1   +
                                                                       Σ
                                                                           +

                                            z-1


                                                              B2   +
                                                                       Σ
                                                                           +


                                            z-1

                                                              BM


                                                                               Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                                           22
Realización de Sistemas Digitales
•   Sistemas Autoregresivos (AR): Son sistemas recursivos cuya función de
    Transferencia HAR(z) y su correspondiente ecuación diferencia y[n] son de la
    forma,
                             1
           H AR ( z ) =   −1       −N
                                       y[n ] = − A1 y[ n − 1]−L− AN y[n − N ] + x[n ]
                      1 + A1 z +L+ AN z

    puede realizarse utilizando el diagrama de la figura,
                           x[n]        +
                                               Σ                               y[n]
                                               +
                                                                  z-1


                                               Σ +         -A1
                                           +
                                                                  z-1

                                               Σ +         -A2
                                               +


                                                                  z-1

                                                           -AN

                                                                         Francisco.Gomez@ii.uam.es




            Realización de Sistemas Digitales
•   Sistemas ARMA( AutoRegresivo y Medium Average) : Son la combinación de los dos
    anteriores. Su función de Transferencia y ecuación diferencia son,
                                   B0 + B1 z −1 +L+ BM z − M
                          H(z) =                                 = H AR ( z ) H MA ( z )
                                   1 + A1 z −1 +L+ AN z − N
                          y[n ] = − A1 y[ n − 1]−L− AN y[ n − N ] + B0 x[ n]+L+ BM x[n − M ]
    El diagrama puede hacerse de varias formas,
          x[n]                B0           +
                                                   Σ             +
                                                                     Σ                           y[n]
                                                       +             +
                    z-1                                                                    z-1

                              B1           +
                                                   Σ                 Σ +        -A1
                                                       +             +
                    z-1                                                                    z-1
                                                                                                        Directa I
                              B2           +
                                                   Σ                 Σ +        -A2
                                                       +             +


                    z-1                                                                    z-1


                             BM                                                 -AN

                                                   HMA(z)·HAR(z)
                                                                         Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                                                    23
Realización de Sistemas Digitales
           x[n]    +
                       Σ                                           B0               +
                                                                                        Σ              y[n]
                       +                                                                    +

                                          z-1           z-1

                       Σ +    -A1                                  B1               +
                                                                                        Σ
                       +                                                                    +

                                          z-1           z-1

                       Σ +    -A2                                  B2               +
                                                                                        Σ
                       +                                                                    +


                                          z-1           z-1

                              -AN                                  BM

                                          HAR(z)·HMA(z)
•   Esta dos formas son idénticas. Se denominan forma directa I. Requieren el
    uso de (N+M) elementos de memoria, (N+M) sumadores y (N+M+1)
    multiplicadores.
•   Esta última forma sugiere la eliminación M elementos de memoria, ya que
    están repetidos. El diagrama resultante se denomina forma directa II.

                                                                    Francisco.Gomez@ii.uam.es




            Realización de Sistemas Digitales
                       x[n]    +
                                    Σ                         B0        +
                                                                            Σ                   y[n]
                                    +                                           +

                                                  z-1

                                    Σ +    -A1                B1        +
                                                                            Σ
                                    +                                           +

                                                  z-1

                                    Σ +    -A2                B2            Σ                      Forma Directa II
                                                                        +
                                    +                                           +


                                                  z-1


                                    Σ      -AM                BM



                                                  z-1

                                           -AN

•   De la forma directa II pasamos a la forma transpuesta o canónica. Consiste en
    sustituir los nodos por sumas, las sumas por nodos, invertir el sentido de las
    flechas y finalmente intercambiar los coeficientes y x[n] e y[n].
•   Demostración ver: Crochiere y Oppenheim (1975)

                                                                    Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                                                      24
Realización de Sistemas Digitales
                 x[n]         B0   +       Σ                   y[n]
                                               +

                                       z-1

                              B1   +       Σ           -A1
                                                   +
                                       +

                                       z-1

                              B2           Σ           -A2
                                   +
                                       +
                                                   +                    Forma Transpuesta o
                                                                        Canónica
                                       z-1

                              BM   +       Σ           -AM
                                                   +
                                       +



                                       z-1

                                                       -AN



•   Esta forma da lugar a una realización con N elementos de memoria,
    (N+M+1) multiplicadores y N sumadores.

                                                             Francisco.Gomez@ii.uam.es




                            Referencias

    WEB
       Curso Tratamiento digital de señal por Andoni Irizar Picón
    http://www1.ceit.es/asignaturas/tratamiento%20digital/tds5.html

       Apuntes en WEB : Digital Signal Processing and Spectral Analysis by
       Abdhelhak Zoubir
    http://www.ece.curtin.edu.au/~dsp304/docs/notes/manuscript.pdf
       Introduction to Digital Filters by Julius O. Smith III
    http://www-ccrma.stanford.edu/~jos/filters/
       FUNDAMENTALS OF SIGNALS AND SYSTEMSUSING THE WEB
       AND MATLAB SECOND EDITION, EDWARD W. KAMEN AND
       BONNIE S. HECK 2000 By Prentice-Hall, Inc.
       http://users.ece.gatech.edu:80/~bonnie/book/


                                                             Francisco.Gomez@ii.uam.es




                                                                                              25

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Análisis Señales Intro Sistemas

  • 1. Procesamiento Digital de Señal Tema 2 : Análisis de Señal e Introducción a los Sistemas • Definición de señal y sistema • Señales continuas y discretas • Transformaciones elementales • Funciones elementales continuas y discretas • Definición de sistemas y propiedades Francisco.Gomez@ii.uam.es Señales • Definición de Señal – Las señales son patrones de variación que representan información codificada. – Una señal se define como una magnitud física que varía con el tiempo el espacio o cualquier otra variable independiente y permite transmitir información. Ejemplos: – El sonido es una función de una variable, el tiempo, para cada instante de tiempo (variable independiente) existe un valor único de la función (variable dependiente). – Una imagen es un función de dos variables (x,y), o si está en movimiento de tres variables(x,y,t) que toma un valor que codifica el color RGB del punto en cada instante. Francisco.Gomez@ii.uam.es 1
  • 2. Señales • Señales continuas y discretas. – Analógicas, x(t) : Amplitud y Tiempo continuos. – Muestreadas, xs[n] : Tiempo Discreto, Amplitud continua. – Cuantizada, xQ(t) : Tiempo Continuo, Amplitud discreta. – Digital, xQ[n] : Tiempo y Amplitud discretos. t t t t Francisco.Gomez@ii.uam.es Señales Definición de Energía y Potencia de una señal: ∞ – Energía de una señal : E x = ∫ x ( t ) dt 2 −∞ – Potencia de una señal : 1 ∫ x(t ) 2 Px = lim dt T0 →∞ T0 T0 Clasificacion en función de su energía y potencia – Una señal se dice que es de energía si Ex es finito, lo que implica que Px es 0. Ej. Pulsos limitados en el tiempo. – Una señal se dice que es de potencia si Px es finito, lo que implica que Ex es infinito. Ej. Una señal periódica. Francisco.Gomez@ii.uam.es 2
  • 3. Señales Propiedades de las señales para su clasificación – Continuas: Se definen para todo tiempo t. – Periódicas: Aquellas que verifican xp(t) = xp(t±nT), donde T es el periodo y n es un entero. – Causales: Son 0 para t<0. Se definen sólo para el eje positivo de t. – Anticausales: Son 0 para t>0. Se definen sólo para el eje negativo de t. – No causales: Se definen para todo el eje de t. Francisco.Gomez@ii.uam.es Señales Clasificación de señales basadas en simetrías: – Simetría Par: x(t) = x(-t) – Simetría Impar: x(t) = -x(-t) Ejercicio: Se pide demostrar que una señal no simétrica puede siempre expresarse como la suma de una función par fp(t) y una función impar fi(t) . Francisco.Gomez@ii.uam.es 3
  • 4. Señales Transformaciones elementales: Desplazamiento en el tiempo: – Señal adelantada y retrasada en el tiempo • x(t-t0), desplazamiento a la derecha. (Retrasada) • x(t+t0), desplazamiento a la izquierda. (Adelantada) Reflexión: – Inversión en el tiempo de x(t) = x(-t) Cambios lineales de escala en la variable independiente: – Compresión en el tiempo de x(t) = x(2t) – Dilatación en el tiempo de x(t) = x(t/2) Francisco.Gomez@ii.uam.es Señales • Ejemplos de Transformaciones elementales: Sea s ( t ) = t , para 0 ≤ t ≤ 1 s ( t ) = 1 2 ( 3 − t ), para 1 ≤ t ≤ 3 s ( t ) = 0 , para el resto El desplazamiento en el tiempo y(t) = s (t-2) es: y ( t ) = t − 2 , para 2 ≤ t ≤ 3 y ( t ) = 1 2 ( 5 − t ), para 3 ≤ t ≤ 5 y ( t ) = 0 , para el resto Francisco.Gomez@ii.uam.es 4
  • 5. Señales Funciones elementales(continuo) : Funciones elementales(discreto) : – Escalón unidad : u(t) – Escalón unidad : u(t) u (t ) = 0 , t 〈 0 u [ n ] = 0 , para n 〈 0 u ( t ) = 1, t 〉 0 u [ n ] = 1, para n ≥ 0 – Impulso δ(t) o función delta de – Impulso unitaro δ[n] o delta de Dirac Kronecker δ (t ) = 0 , t ≠ 0 ∞ δ [ n ] = 0 , para n ≠ 0 ∫ δ (τ ) d τ =1 δ [ n ] = 1, para n = 0 −∞ Francisco.Gomez@ii.uam.es Señales Otras Funciones elementales: – Escalón unidad : u(t) – Rampa : r(t)=t u(t) – Pulso : u(t+1/2)-u(t-1/2) – Triangular : tri(t)=r(t+1)-2r(t)+r(t-1) – Seno Cardinal , Senc : sen (π t ) senc ( t ) = πt Francisco.Gomez@ii.uam.es 5
  • 6. Señales Función delta de Dirac Función triangular unidad Función rampa unidad 2 1 1 0.8 0.8 1.5 0.6 0.6 1 0.4 0.4 0.5 0.2 0.2 0 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0 0 0.5 1 1.5 2 -2 -1 0 1 2 -2 0 2 Tiempo (t) Tiempo (t) Tiempo (t) Función pulso unidad Función escalón unidad Función Sinc 1 1 1 0.8 0.8 0.8 0.6 0.6 0.6 0.4 0.4 0.4 0.2 0.2 0.2 0 0 -0.2 0 -2 -1 0 1 2 -2 -1 0 1 2 -5 0 5 Tiempo (t) Tiempo (t) Tiempo (t) Francisco.Gomez@ii.uam.es Señales Propiedades de interés entre las funciones elementales: d u (t ) δ (t ) = δ [ n ] = u [ n ] − u [ n − 1] dt ∑ ∞ t u[ n ] = δ [n − k ] u (t ) = ∫ − ∞ δ (τ ) d τ k =0 1 δ [α ( t − β )] = ⋅ δ (t − β ) x[ n ]δ [ n ] = x[ 0 ]δ [ n ] α x ( t ) ⋅ δ ( t − α ) = x (α ) ⋅ δ ( t − α ) x[ n ]δ [ n − n0 ] = x[ n0 ]δ [ n − n0 ] = x[ n0 ] ∞ ∫ x ( t ) ⋅ δ ( t − α ) ⋅ dt −∞ = x (α ) Francisco.Gomez@ii.uam.es 6
  • 7. Procesamiento Digital de Señal Sistemas Lineales e Invariantes en el Tiempo • Sistemas LTI. Principio de Superposición • Respuesta al impulso de un sistema LTI • Concepto y definición convolución • Representación de sistemas en tiempo discreto. Francisco.Gomez@ii.uam.es Sistemas • Un sistema físico es un conjunto de dispositivos conectados entre sí, cuyo funcionamiento está sujeto a leyes físicas. – Desde nuestro punto de vista, es todo aquello que realiza un proceso sobre una señal ≡ un procesador de señal. La representación de un sistema en tiempo continuo se realiza normalmente a través de ecuaciones diferenciales. Se relacionan la salida y(t) y la entrada x(t) mediante constantes, parámetros y variables independientes (tiempo): d n y(t ) d n −1 y (t ) dy (t ) d m x(t ) dx (t ) a0 n + a1 n −1 + ... + an −1 + an y (t ) = b0 m + ... + bm −1 + bm x(t ) dt dt dt dt dt La representación de un sistema en tiempo discreto se realiza por su ecuación en diferencias o por su diagrama de bloques. N −1 M −1 y[n] = −∑ ak • y[n − k ] + ∑ bk • x[m − k ] k =1 k =0 Francisco.Gomez@ii.uam.es 7
  • 8. Sistemas • La señal o señales a ser procesadas forman la excitación o entrada x del sistema. • La señal procesada es la respuesta o salida y del sistema. Dominios de interés: – El análisis de sistemas implica el estudio de la respuesta del sistema a entradas conocidas. – La síntesis de sistemas se realiza especificando las salidas que deseamos para una entradas dadas y estudiando que sistema es el más adecuado (Identificación de sistemas). Francisco.Gomez@ii.uam.es Sistemas x(t) y(t) x: entrada del sistema y: salida del sistema x[n] y[n] t ó n ; variable independiente • Clasificación de los sistemas: – Lineales: Los coeficientes no dependen de x ó y. No hay términos constantes. – No lineales: Los coeficientes dependen de x ó y. Hay términos constantes. – Invariantes en el tiempo: Los coeficientes no dependen de t. – Variantes en el tiempo: Los coeficientes son funciones explícitas de t. Francisco.Gomez@ii.uam.es 8
  • 9. Sistemas • Propiedades que definen los sistemas: – Continuos. – Discretos – Lineales – Invariantes en el tiempo – Con Memoria. – Invertibles – Causales – Estables e Inestables Francisco.Gomez@ii.uam.es Sistemas Lineales Definición de sistema Lineal – Sea y1(t) la respuesta de un sistema a una entrada x1(t), y sea y2(t) la salida correspondiente a la entrada x2(t). Entonces el sistema es lineal si : 1. La respuesta a x1(t)+ x2(t) es y1(t)+ y2(t) PROPIEDAD de ADITIVIDAD 2. La respuesta a kx1(t) es ky1(t) donde k es una constante compleja cualquiera PROPIEDAD de ESCALAMIENTO u HOMOGENIEDAD Francisco.Gomez@ii.uam.es 9
  • 10. Principio de Superposición Un sistemas lineal satisface el principio de superposición: – Si al aplicar individualmente, como entradas al sistema, las señales x1(t), x2(t), ... ,xn(t)) – obtenemos como salida del sistema las señales y1(t), y2(t), ...,yn(t)). x1(t) y1(t) x2(t) y2(t) x3(t) y3(t) – La respuesta del sistema a una señal de entrada x(t) formada por la combinación lineal de dos o más señales x(t) = ax1(t)+b x2(t) +...+ kxn(t) es igual a la combinación lineal de la suma de las respuestas del sistema a cada una de las señales y(t) = ay1(t)+ by2(t) +...+ kyn(t) x(t) y(t) Francisco.Gomez@ii.uam.es Sistemas Invariantes en el tiempo Se dice que un sistema es invariante en el tiempo cuando su comportamiento y sus características permanecen fijos en el tiempo – La respuesta y(t) depende sólo de la entrada x(t) y no de en que tiempo se aplica al sistema . Si T{x(t)} = y(t), entonces T{x(t- t)} = y(t- t ), donde T{ } representa el sistema. Por tanto, conocida y(t) si el sistema es invariante la salida a x(t- t ) se pueda calcular a partir de un desplazamiento temporal. x(t) y(t) x(t-t) y(t- t) y(t- t) (t- t) Francisco.Gomez@ii.uam.es 10
  • 11. Sistemas LTI • Muchos sistemas continuos de interés son del tipo lineal invariante en el tiempo (LTI). – La respuesta al impulso de un sistema se representa por h(t) y corresponde a la salida de un sistema LTI cuando la entrada es la señal impulso unidad d( t). δ(t) h(t) – A partir de la respuesta al impulso se puede estudiar la respuesta a cualquier tipo de entrada. Para ello basta con conseguir expresar la entrada x(t) en función del impulso unidad – Por esta razón h(t) también se denomina función de transferencia del sistema. Francisco.Gomez@ii.uam.es Concepto y Definición de Convolución Mediante la convolución calcularemos la respuesta de un sistema (y(t)) a una entrada arbitraria (x(t)). • Dos condiciones para realizar la convolución: – Sistema LTI. – Se conoce que la respuesta al impulso del sistema es h(t). • Basándonos en el principio de superposición y en que el sistema es invariante en el tiempo: Si T {δ (t )} = h(t ) → T {K ⋅ δ (t − t0 )} = K ⋅ h(t − t0 ) • Una señal arbitraria de entrada x(t) puede expresarse como un tren infinito de impulsos. Francisco.Gomez@ii.uam.es 11
  • 12. Definición de Convolución Una señal arbitraria de entrada x(t) puede expresarse como un tren infinito de impulsos. ∞ t=0 Se define la función δ (t ) =  impulso d(t) como: 0 t≠0 y su versión desplazada ∞ t = t0 δ (t − t 0 ) =  0 t ≠ t0 con las siguientes ∞ propiedades: ∫ δ (τ )dτ = 1 −∞ ∞ ∫ x(τ )δ (t − τ )dτ = x(t ) −∞ Francisco.Gomez@ii.uam.es Concepto y Definición de Convolución La última propiedad permite la descomposición de una entrada arbitraria x(t) como una suma de impulsos mediante la formula: ∞ x(t ) = ∫ x(τ )δ (t − τ )dτ −∞ Aplicando el principio de superposición al ser un sistema LTI: ∞  ∞ ∞ y(t) = T{x(t )} = T ∫ x(λ) ⋅δ (t − λ) ⋅ dλ = ∫ x(λ) ⋅T{δ (t − λ)}⋅ dλ = ∫ x(λ) ⋅ h(t − λ) ⋅ dλ = x(t ) ∗h(t ) −∞  −∞ −∞ Mediante convolución se consigue determinar la respuesta del sistema a una señal de entrada a partir de la respuesta del sistema al impulso. Francisco.Gomez@ii.uam.es 12
  • 13. Propiedades de la Convolución • Supóngase que x(t)*h(t)=y(t)) entonces: [ x1 ( t ) + x 2 ( t ) ] ∗ h ( t ) = y 1 ( t ) + y 2 ( t ) [K 1 x1 ( t ) + K 2 x 2 ( t ) ]∗ h ( t ) = K 1 y1 ( t ) + K 2 y 2 ( t ) x (t ) ∗ h (t − α ) = y (t − α ) x (t − α ) ∗ h (t − β ) = y (t − α − β ) δ (t ) ∗ h (t ) = h (t ) d(t) h(t) x ( t ) ∗ h ′( t ) = x ′ ( t ) ∗ h ( t ) = y ′( t ) x ′( t ) ∗ h ′( t ) = y ′′( t ) x m (t ) ∗ h n (t ) = y m + n (t ) x(t) y(t) 1 x (α t ) ∗ h (α t ) = y (α t ) α y(t)= x(t)*h(t) Francisco.Gomez@ii.uam.es Interpretación Gráfica de la Convolución Enlace original: http://www.jhu.edu/~signals/convolve/index.html Francisco.Gomez@ii.uam.es 13
  • 14. Convolución Discreta La convolución discreta se define en base a la respuesta de un sistema LTI a cualquier entrada ∞ y[n] = x[n]∗ h[n] = ∑ x [k ]h [n − k ] s s k = −∞ – Este resultado se conoce como la suma de convolución y la operación del miembro derecho define la convolución de las secuencias x[n] y h[n] • Propiedades sobre la duración de la convolución discreta. – El índice del comienzo de la convolución es la suma de los índices de comienzo de las respectivas señales. Si las dos señales comienzan en n=n0 y n=n1, la convolución comienza en n=n0+n1. – Para dos secuencias de duración M y N, su convolución se extiende durante M+N-1 muestreos. Francisco.Gomez@ii.uam.es Convolución Discreta Propiedades de la convolución discreta (x[n]*h[n]=y[n]) ∞ y [n ] = ∑ x [k ]h [n − k ] k = −∞ [Ax 1 + Bx 2 ]∗ h = y 1 + y 2 x [n ]∗ h [n − α ] = x [n − α ]∗ h [n ] = y [n − α ] x [n − α ]∗ h [n − β ] = y [n − α − β ] δ [n ]∗ h[n ] = h[n ] h[n ] = δ [n ]∗ h[n ] = {u [n ] − u [n − 1]}∗ h[n ] = yu [n ] − yu [n − 1] ∞ u [n ]∗ x[n ] = ∑ x[k ] k = −∞ {x[n ] − x[n − 1]}∗ h[n ] = y[n ] − y[n − 1] Francisco.Gomez@ii.uam.es 14
  • 15. Convolución Discreta Métodos para calcular la convolución a partir de dos secuencias • Método de la tira deslizante • Método de las Suma por Columnas • Método de la malla. x[n] 3 1 2 -1 3 1 2 -1 1 6 2 4 -2 2 h[n] 9 3 6 -3 3 y[n] 3 7 13 6 4 -3 n= 0 1 2 3 4 5 y[n]={3,7,13,6,4,-3,0,…}, n=0,1,2,...,5 Francisco.Gomez@ii.uam.es Interpretación Gráfica de la Convolución Enlace original: http://www.jhu.edu/~signals/discreteconv/index.html Francisco.Gomez@ii.uam.es 15
  • 16. Correlación Correlación: Es una operación similar a la convolución, con la diferencia de que en la correlación no se reflejar una de las señales: ∞ CONTINUO Rxy(t) = x(t) ∗∗y(t) = ∫ x(λ) y(λ −t)dλ = x(t) ∗ y(−t) −∞ ∞ DISCRETO R xy [n ] = ∑ x[k ]y [k − n ] para n = 0, ± 1, ± 2, ± 3, L k = −∞ – La correlación nos da una medida de la similitud entre dos señales. – No existe la propiedad conmutativa por lo que dadas dos señales x(t) e y(t) se definen dos correlaciones: ∞ ∞ R xy ( t ) = x ( t ) ∗ ∗ y ( t ) = ∫ x (τ ) y (τ − t)dτ R xy [n ] = ∑ x[k ]y [k − n ] −∞ k = −∞ ∞ ∞ R yx ( t ) = y ( t ) ∗ ∗ x ( t ) = ∫ y (τ ) x (τ − t)dτ R yx [n ] = ∑ y [k ]x[k − n ] −∞ k = −∞ que sólo coinciden en t=0 : Rxy(0)= Ryx(0) Francisco.Gomez@ii.uam.es Autocorrelación La correlación de una señal consigo misma se denomina autocorrelación: ∞ CONTINUO Rxx (t ) = x(t ) ∗ ∗x(t ) = ∫ x(λ ) x(λ − t )dλ −∞ ∞ DISCRETO R xx [n ] = ∑ x[k ]x[k − n ] para n = 0, ± 1, ± 2, ± 3, L k = −∞ La autocorrelación representa la similitud entre una señal y su desplazada. El máximo de autocorrelación se obtiene cuando no hay desplazamiento (t=0). La autocorrelación es simétrica con respecto al origen, ya que Rxx(t)=Rxx(-t). Francisco.Gomez@ii.uam.es 16
  • 17. Sistemas Digitales Una señal discreta se puede descomponer en Sistema discreto función de δ[n] ∞ x [n ] = ∑ x [k ]δ [n − k ] k = −∞ x[n] y[n] T Si el sistema esta caracterizado por la respuesta h[n] y es LTI h [n ] = T {δ [ n ]} h [n − k ] = T {δ [ n − k ]} Sistema Lineal e Entonces: Invariante en el Tiempo ∞ x[n] y [n ] = T { x[ n ]} = T { ∑ x [k ]δ [n − k ]} y[n] k = −∞ h[n] ∞ lineal y [n ] = ∑ x[k ] T {δ [n − k ]} k = −∞ ∞ invariante y [n ] = ∑ x[k ] h[n − k ] k = −∞ Francisco.Gomez@ii.uam.es Sistemas Discretos LTI El sistema se caracteriza por la respuesta al impulso h[n] Sistema discreto h [n ] = T {δ [ n ]} x[n] y[n] Características T Causal h [n ] = 0 , n<0 Estable ∑ h[n ] < ∞ Sistema Lineal e La salida depende de x[n] y h[n] Invariante en el Tiempo y[n] es la convolucion de x[n] con h[n] x[n] y[n] Ecuación de convolución h[n] ∞ y [n ] = x[ n ] * h[ n ] = ∑ x[k ] h[n − k ] k = −∞ Francisco.Gomez@ii.uam.es 17
  • 18. Sistemas Discretos La mayor parte de los sistemas digitales de interés son LTI Las señales de entrada vienen dadas por secuencias y la operación que realiza el sistemas es una ecuación del tipo y [n ] + A1 y [n − 1] + A 2 y [n − 2 ] + L + A N y [n − N ] = B 0 x [n ] + B1 x [n − 1] + L + B M x [n − M ] que se denomina ecuación en diferencia. Es fácil comprobar que este tipo de sistema satisface – Linealidad – Invariancia en el tiempo Francisco.Gomez@ii.uam.es Sistemas Discretos Clasificación de sistemas digitales Por la respuesta del sistema h[n] Sistemas FIR: caracterizado por tener una respuesta al impulso finita Sistemas IIR: con respuesta al impulso infinita En cuanto a su realización Sistemas No Recursivos Sistemas Recursivos Sistemas Realizables Francisco.Gomez@ii.uam.es 18
  • 19. Sistemas Digitales Sistemas caracterizados por ecuaciones en diferencias finitas Sistema de interés práctico Francisco.Gomez@ii.uam.es Sistemas Digitales Sistemas caracterizados por ecuaciones en diferencias finitas Sistemas de interés Práctico: IMPLEMENTACION Francisco.Gomez@ii.uam.es 19
  • 20. Sistemas Digitales Sistemas caracterizados por ecuaciones en diferencias finitas Ejemplo: sistema de orden 2 Francisco.Gomez@ii.uam.es Sistemas Digitales Sistemas caracterizados por ecuaciones en diferencias Función de transferencia H(z) Relacion entre la salida y la entrada del sistema H(z) = y[n]/x[n] Para obtener una expresión de H(z) se tiene en cuenta que almacenar un dato significa retrasar su uso un tiempo igual al periodo de muestreo. Este retraso se representa mediante z-1 (retraso de una unidad),y así z-2 (dos unidades, etc). Ejemplo: y[n] –y[n-1] = b x[n]+b x[n-1] 0 1 y[n] – z-1 y[n] = b0x[n]+b1 z-1 x[n] (1 – z-1 )y[n] = (b0+b1 z-1 )x[n] y[n]/x[n]=H(z)= (b0+b1 z-1 )/ (1 – z-1 ) Francisco.Gomez@ii.uam.es 20
  • 21. Realización de Sistemas Digitales • Para realizar estos sistemas digitales se debe partir de un diagrama con las operaciones a realizar: – Software :diagrama de flujo – Hardware: diagrama de bloques, que especifica los elementos del circuito y sus interconexiones. • Una correcta elección del diagrama de bloques puede optimizar significativamente las prestaciones de la realización (tiempo de computación, memoria necesaria, minimizar los efectos de cuantización, etc). Francisco.Gomez@ii.uam.es Realización de Sistemas Digitales • Propiedades de los diagramas de bloques – Conexiones en cascada: La función de Transferencia global de una conexión en cascada es el producto de las funciones de Transferencia individuales. – Conexiones en paralelo: La función de Transferencia global de una conexión en paralelo es la suma de las funciones de Transferencia individuales. – Conexión en realimentación: La salida se realimenta en la entrada directamente o a través de otros subsistema. La función de Transferencia global viene dada por la relación G( z ) HT (z) = 1 + G( z ) H ( z ) Francisco.Gomez@ii.uam.es 21
  • 22. Realización de Sistemas Digitales H1 H2 H1 H2 Conexión de dos sistemas en Cascada + H1 Σ + H1+H2 H2 Conexión en paralelo de dos sistemas + Σ G - G 1+GH H Un sistema sencillo con realimentación Francisco.Gomez@ii.uam.es Realización de Sistemas Digitales • Sistemas FIR (MA:Medium Average): Son sistemas no recursivos cuya función de Transferencia HMA(z) y su correspondiente ecuación diferencia y[n] son de la forma, H MA ( z ) = B0 + B1 z −1 +L+ BM z − M y[n ] = B0 x[n ] + B1 x[n − 1]+L+ BM x[n − M ] puede realizarse utilizando el diagrama de la figura x[n] B0 + Σ y[n] + z-1 B1 + Σ + z-1 B2 + Σ + z-1 BM Francisco.Gomez@ii.uam.es 22
  • 23. Realización de Sistemas Digitales • Sistemas Autoregresivos (AR): Son sistemas recursivos cuya función de Transferencia HAR(z) y su correspondiente ecuación diferencia y[n] son de la forma, 1 H AR ( z ) = −1 −N y[n ] = − A1 y[ n − 1]−L− AN y[n − N ] + x[n ] 1 + A1 z +L+ AN z puede realizarse utilizando el diagrama de la figura, x[n] + Σ y[n] + z-1 Σ + -A1 + z-1 Σ + -A2 + z-1 -AN Francisco.Gomez@ii.uam.es Realización de Sistemas Digitales • Sistemas ARMA( AutoRegresivo y Medium Average) : Son la combinación de los dos anteriores. Su función de Transferencia y ecuación diferencia son, B0 + B1 z −1 +L+ BM z − M H(z) = = H AR ( z ) H MA ( z ) 1 + A1 z −1 +L+ AN z − N y[n ] = − A1 y[ n − 1]−L− AN y[ n − N ] + B0 x[ n]+L+ BM x[n − M ] El diagrama puede hacerse de varias formas, x[n] B0 + Σ + Σ y[n] + + z-1 z-1 B1 + Σ Σ + -A1 + + z-1 z-1 Directa I B2 + Σ Σ + -A2 + + z-1 z-1 BM -AN HMA(z)·HAR(z) Francisco.Gomez@ii.uam.es 23
  • 24. Realización de Sistemas Digitales x[n] + Σ B0 + Σ y[n] + + z-1 z-1 Σ + -A1 B1 + Σ + + z-1 z-1 Σ + -A2 B2 + Σ + + z-1 z-1 -AN BM HAR(z)·HMA(z) • Esta dos formas son idénticas. Se denominan forma directa I. Requieren el uso de (N+M) elementos de memoria, (N+M) sumadores y (N+M+1) multiplicadores. • Esta última forma sugiere la eliminación M elementos de memoria, ya que están repetidos. El diagrama resultante se denomina forma directa II. Francisco.Gomez@ii.uam.es Realización de Sistemas Digitales x[n] + Σ B0 + Σ y[n] + + z-1 Σ + -A1 B1 + Σ + + z-1 Σ + -A2 B2 Σ Forma Directa II + + + z-1 Σ -AM BM z-1 -AN • De la forma directa II pasamos a la forma transpuesta o canónica. Consiste en sustituir los nodos por sumas, las sumas por nodos, invertir el sentido de las flechas y finalmente intercambiar los coeficientes y x[n] e y[n]. • Demostración ver: Crochiere y Oppenheim (1975) Francisco.Gomez@ii.uam.es 24
  • 25. Realización de Sistemas Digitales x[n] B0 + Σ y[n] + z-1 B1 + Σ -A1 + + z-1 B2 Σ -A2 + + + Forma Transpuesta o Canónica z-1 BM + Σ -AM + + z-1 -AN • Esta forma da lugar a una realización con N elementos de memoria, (N+M+1) multiplicadores y N sumadores. Francisco.Gomez@ii.uam.es Referencias WEB Curso Tratamiento digital de señal por Andoni Irizar Picón http://www1.ceit.es/asignaturas/tratamiento%20digital/tds5.html Apuntes en WEB : Digital Signal Processing and Spectral Analysis by Abdhelhak Zoubir http://www.ece.curtin.edu.au/~dsp304/docs/notes/manuscript.pdf Introduction to Digital Filters by Julius O. Smith III http://www-ccrma.stanford.edu/~jos/filters/ FUNDAMENTALS OF SIGNALS AND SYSTEMSUSING THE WEB AND MATLAB SECOND EDITION, EDWARD W. KAMEN AND BONNIE S. HECK 2000 By Prentice-Hall, Inc. http://users.ece.gatech.edu:80/~bonnie/book/ Francisco.Gomez@ii.uam.es 25