Course: Digital Signal Processing

« Back
Course title Digital Signal Processing
Course code KAE/CZS
Organizational form of instruction Lecture + Tutorial
Level of course Master
Year of study not specified
Semester Winter
Number of ECTS credits 6
Language of instruction Czech, English
Status of course Compulsory, Compulsory-optional, Optional
Form of instruction Face-to-face
Work placements This is not an internship
Recommended optional programme components None
Course availability The course is available to visiting students
Lecturer(s)
  • Pavlíček Vladimír, Ing. Ph.D.
  • Lahoda Jiří, Ing. Ph.D.
Course content
Content of Lectures 1. Introduction, literature, Why DSP, history of electrical engineering- briefly, Signals, definition of signals, classes, advantages/disadvantages of DSP 2. Basic signals used in DSP, energy and power of sequences, periodicity of discrete signals, complex exponential + harmonically bounded complex exponentials, data sequences represented by delta function 3. Definition of LTI system, Linearity, Time-Invariance, Input - output relations of LTI systems, convolution, correlation (auto/cross), Stability, Causality of LTI systems. 4. Time-domain description of LTI system, Difference equation, Impulse response. Frequency-domain description of LTI system, frequency characteristic, system function, Z-transformation 5. ROC (Region of Convergence of Z-transformation), System function, roots of nominator/denominator, poles/zeros of system and its influence on the frequency behavior of the system, ROC (Region of Convergence of Z-transformation) 6. Analog Front-End: Sampling definition, sampling theorem, aliasing in time/frequency domains, Anti Aliasing Filters (AAF), over-sampling, under-sampling, AAF filter design examples, example of AAF filter used in phone line networks, Sigma-Delta ADC, real sampling, errors of ADCs, aperture and sampling jitters, SNR, ENOB, SINAD 7. Analog Front-End: interpolation, signal reconstruction, DACs, impulse and frequency responses of DACs, sinc(x), interpolation filters design. Quantization, coding of data, data representation in memory, computing errors, rounding, ceiling 8. Limit cycles, non-linearity founded in digital systems: saturation/over-flow, statistical model of quantizer, SNR calculations, noise of digital systems. 9. Non-Recursive Digital Filters (NRDF): description, phase linearity phenomenon, impulse responses of NRDF filters - FIR, design of NRDF filters, examples, windowing methods, Gibbs oscillations, equiripple design 10. Recursive Digital Filters (RDF) description, phase non-linearity, impulse response of RDF filters - IIR/FIR, design of RDF filters, transformation H(p)-H(z), bilinear and impulse-invariance transformations, design examples 11. Implementation structures of digital filters, structures suitable for NRDF/RDF filters, advanced structures, dual structures, structure?s transposition. Discrete unitary transformations (DUT), kernel of transformations, base vectors, DFT matrix and linear equation forms, deep insight to the theory and understanding, fast-convolution method description. 12. Fast Fourier Transformation - FFT, principles, DIT/DIF FFT, algorithm in-place, bit-reverse. IFFT. Spectrum analyses - rank of transformation, frequency step and resolution, zero-padding, leakage, input data windowing 13. Multi-rate Digital Signal Processing, re-sampling, interpolation/decimation. Applications: Digital Voice Recorder, Digital Harmonic Oscillators, Goertzel Algorithm. Content of Laboratory Tasks 1. Basic signals used in DSP processing 2. Correlation, Convolution 3. Description and Analyzing of System in Time-Domain 4. Zeros and Poles of the System ? Analyzing of System in Frequency-Domain 5. Voice Signal Processing and Filter Design - using Simulink / Matlab 6. Sampling and Reconstruction of Analogue Signals ? ADC, DAC using Matlab 7. Data representation in processors ? fix / float arithmetic examples 8. Windowing method used in DSP 9. Design of NRDF/FIR filters on Motorola 68HC16Z1 EVB 10. Design of RDF/IIR filters on Motorola 68HC16Z1 EVB 11. Design of NRDF/FIR filters on Texas Instruments DSP 320C5xx EVB 12. Design of digital oscillators on Texas Instruments DSP 320C5xx EVB

Learning activities and teaching methods
Laboratory work, Lecture
  • Contact hours - 39 hours per semester
  • Practical training (number of hours) - 26 hours per semester
  • Preparation for laboratory testing; outcome analysis (1-8) - 24 hours per semester
  • Preparation for an examination (30-60) - 35 hours per semester
  • Graduate study programme term essay (40-50) - 40 hours per semester
prerequisite
professional knowledge
rozdíl mezi analogovým a číslicovým zpracováním signálů, výhody číslicového zpracování signálů - přesnost, rychlost, opakovatelnost
přehled základních signálů používaných v číslicovém zpracování signálů (CZS) a jejich parametry
energie a výkon signálu, diskrétní signál jako posloupnost dat
způsob nesení informace (amplituda, fáze, kmitočet) v diskrétním signálu
základní operace s posloupnostmi
definice a přehled číslicových systémů
definice lineárního impulsně invariantního systému (LTI systému)
relace vstupu a výstupu LTI systému - konvoluce
stabilita a kauzalita LTI systému
korelační analýza
prostředky popisu LTI sytstémů v časové a frekvenční oblasti, přechod mezi časovou a frekvenční oblastí pro diskrétní posloupnosti - DTFT
impulsní odezva a diferenční rovnice LTI diskrétního (LTID) systému
frekvenční odezva a systémová funkce LTID systému, Z- transformace
vzorkování, vzorkovací teorém, aliasing, AAF filtry, převzorkování, ideální a skutečné vzorkování, jittery, SNR, SINAD, ENOB
rekonstrukce signálu - ideální a skutečný rekonstruktor, analogové rekonstukční filtry a jejich provedení, vlastnosti funkce sinc()
kvantování a kódování signálu, způsob reprezentace dat v paměti, chyby a nelinearity při výpočtu, vliv zaokrouhlování a ořezávání výsledků
limitní cykly, statistický model kvantizéru
popos a návrh NRDF filtrů, definice lineární fáze a fázového zpoždění, úprava imupsní odezvy systému pomocí okénkování
popis a návrh RDF filtrů, definice nelineární fáze, fázového a skupinového zpoždění, transformace přenosové funkce H(p) na H(z)
struktury implementace filtrů - přímá, kaskádní, paralelní, mřížková, duální struktury
diskrétní unitární transformace, jádro transformace, bázové vektory, příklady jader různých transformací
diskrétní Fourierova transformace (DFT), jádro DFT, algoritmus výpočtu DFT - rychlá Fourierova transformace (FFT)
spektrální analýza signálu - definice základních pojmů, jako frekvenční krok, zero -padding, frekvenční rozlišení, prosakování ve spektru, váhování vstupních dat
learning outcomes
popsat ucelený systém číslicového zpracování signálu
formulovat základní principy problematiky číslicového zpracování signálu
rozpoznat vhodné metody zpracování signálu, jaký typ a kvalitu číslicového systému použít pro danou úlohu
professional skills
navrhnout ucelený systém číslicového zpracování signálu
provádět simulace navrženého systému číslicového zpracování signálu
implementovat navržený systém číslicového zpracování signálu
general eligibility
N/A
teaching methods
professional knowledge
Lecture
Laboratory work
Lecture with visual aids
Individual study
professional skills
Laboratory work
general eligibility
Lecture with visual aids
Individual study
Laboratory work
assessment methods
professional knowledge
Combined exam
Seminar work
professional skills
Combined exam
general eligibility
Combined exam
Recommended literature
  • Davídek, Vratislav; Sovka, Pavel. Číslicové zpracování signálů a implementace. Praha : Vydavatelství ČVUT, 2002. ISBN 80-01-02483-0.
  • Jan, Jiří. Číslicová filtrace, analýza a restaurace signálů. 2., upr. a rozš. vyd. V Brně : VUTIUM, 2002. ISBN 80-214-1558-4.
  • Sedláček, Miloš. Zpracování signálu v měřící technice. dotisk 1. vyd. Praha : ČVUT, 1996. ISBN 80-01-00900-9.


Study plans that include the course
Faculty Study plan (Version) Branch of study Category Recommended year of study Recommended semester
Faculty of Electrical Engineering Industrial Electronics and Electromechanical Engineering (16) Electrical engineering, telecommunication and IT 1 Winter
Faculty of Electrical Engineering Electrical Engineering in Transport and Automotive Electronics (16) Electrical engineering, telecommunication and IT 2 Winter
Faculty of Electrical Engineering Electronics and Applied Informatics (16) Electrical engineering, telecommunication and IT 1 Winter
Faculty of Electrical Engineering Electronics and Applied Informatics (16) Electrical engineering, telecommunication and IT 1 Winter
Faculty of Applied Sciences Computer Engineering and Networks (2015) Electrical engineering, telecommunication and IT 1 Winter
Faculty of Electrical Engineering Telecommunication and Multimedia Systems (12) Electrical engineering, telecommunication and IT 1 Winter
Faculty of Electrical Engineering Commercial Electrical Engineering (16) Electrical engineering, telecommunication and IT 1 Winter
Faculty of Applied Sciences Computer Engineering and Networks (2017) Electrical engineering, telecommunication and IT 1 Winter