Cyfrowe przetwarzanie sygnałów? Jakie to proste!
Autorzy: Tomasz P. Zieliński
Podziękowania
Niniejsza książka została zainspirowana jednosemestralnym szkoleniem „Cyfrowe przetwarzanie sygnałów w telekomunikacji”, który jej współautorzy przeprowadzili dla pracowników firmy Motorola Solutions – Kraków na przełomie lat 2012 – 2013. Tematy wszystkich wykładów zostały zaproponowane przez firmę Motorola, dlatego zakładamy, że materiał zawarty w książce stanowi najbardziej klasyczny, ale równocześnie najbardziej gorący zestaw problemów dotyczących zastosowania algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów w telekomunikacji.
Jako główny redaktor książki chciałbym bardzo podziękować wszystkim autorom poszczególnych rozdziałów, że zgodzili się uczestniczyć w tym ambitnym i ryzykownym przedsięwzięciu. Dziękuję im za czas i trud włożony w napisanie swoich rozdziałów, a zwłaszcza za wysiłek włożony we wzajemne dopasowanie do siebie treści i formy pojedynczych części. Mam nadzieję, że z tych pojedynczych cegiełek udało nam się zbudować interesujący i wartościowy gmach, aktualny i w jakimś sensie „ponadczasowy” (o ile jest to w ogóle możliwe w telekomunikacji, która tak szybko zmienia się na naszych oczach). Gmach, którego nie mogłaby stworzyć pojedyncza osoba, gdyż wszyscy pięknie się różnimy. Mam nadzieję, że powstała spójna praca, atrakcyjna dla Czytelnika, która ma dodatkowo tę zaletę, że jej mądrość jest obiektywną mądrością wielu osób (zespołu) a nie subiektywną mądrością jednostki.
Dziękuję także tym osobom, które w natłoku codziennych spraw zmuszone były odmówić współpracy z nami, ale jednak podjęły się trudu przeczytania poszczególnych rozdziałów, leżących w zakresie ich zainteresowań, i zasugerowały szereg istotnych zmian.
Chciałbym także, a może przede wszystkim, podziękować firmie Motorola Solutions – Kraków, że „postawiła” na polskich naukowców/wykładowców, zainspirowała nas do powstania tej książki, zasugerowała jej zawartość oraz w aktywny sposób wpłynęła na jej obecną postać podczas szkolenia, które zostało przeprowadzonego dla jej pracowników.
Chcielibyśmy, aby książka ta trafiła pod przysłowiowe strzechy. Z tego powodu bardzo dziękujemy Wydawnictwu Naukowemu PWN, że podjęło się ryzyka wydania naszego opasłego dzieła i zgodziło się dystrybuować jego wersję elektroniczną w bardzo przystępnej cenie. W ten sposób chcielibyśmy my wszyscy, autorzy, Motorola Solutions – Kraków oraz Wydawnictwo Naukowe PWN, przyczynić się do budowy społeczeństwa opartego na wiedzy.
Struktura książki
Świat gna radośnie do przodu a wraz z nim ludzkie marzenia i oczekiwania. To, co wczoraj nie było możliwe, dzisiaj jest naszą codziennością, bez której nie wyobrażamy sobie funkcjonowania w cyberprzestrzeni. Nasze gadżety: samochody, telewizory, komputery, tablety i smartfony, mają coraz więcej funkcji, raz są większe innym razem mniejsze. Coraz trudniej jest zrozumieć współczesne rozwiązania techniczne, ponieważ stają się one coraz bardziej skomplikowane, bardziej złożone. Celem tej książki jest przystępne wyjaśnienie podstawowych metod przetwarzania sygnałów, które kryją się we współczesnych, skomplikowanych systemach telekomunikacyjnych (teleinformatycznych), czyli odpowiedzieć na pytanie: jak to działa?
Jest bardzo wiele dobrych książek na świecie z zakresu cyfrowego przetwarzania sygnałów, podobnie z telekomunikacji cyfrowej. Jednak nie ma wielu pozycji łączących oba te tematy, tym bardziej robiących to w sposób zrozumiały dla początkującego i średniozaawansowanego Czytelnika. My spróbowaliśmy to zrobić.
Niestety z powodu bardzo szerokiego zakresu tematycznego książki, pewne tematy musieliśmy potraktować bardziej zdawkowo, a niektóre w ogóle pominęliśmy, za co bardzo przepraszamy. Przepraszamy też za wszystkie nieformalne uproszczenia, które miały wyłącznie na celu pokazanie prostoty (istoty) czegoś, co wygląda na bardzo trudne. Nie chcieliśmy napisać kolejnej książki zbyt teoretycznej i z tego powodu mniej zrozumiałej.
Cyfrowe przetwarzanie sygnałów to algorytmy obliczeniowe i programy, które je realizują. Jest wiele książek pełnych definicji, wzorów i wyprowadzeń, które mimo wszystko (mimo całego swojego bogactwa) pozostawiają Czytelnika bez pomocy przed monitorem komputera. Najtrudniejszy jest pierwszy krok! My pierwszy krok, a nawet kilka następnych, wykonaliśmy razem z Czytelnikiem, oferując mu do każdego rozdziału bogaty zestaw starannie wyselekcjonowanych programów komputerowych, napisanych w języku Matlab. Programy te są dostępne w wersji elektronicznej na stronie WWW książki:
http://www.teledsp.kt.agh.edu.pl/
A program nie toleruje niedomówień. Albo działa albo nie. Nasze działają.
Przepraszamy za to wszystko, co nam się nie udało. Jesteśmy otwarci na krytykę. A nawet o nią prosimy.
Książka pod względem merytorycznym jest podzielona na trzy główne części (ponad 1000 stron):
- podstawy (rozdziały od 2 do 11),
- multimedia (rozdziały od 12 do 19),
- transmisja (rozdziały od 20 – 25).
I. PODSTAWY. Aby ułatwić Czytelnikowi lekturę specjalistycznej części książki (II i III) oraz uwolnić go od konieczności ciągłego „wertowania” innych źródeł literaturowych, w części pierwszej dokonaliśmy syntetycznego przedstawienia podstaw cyfrowego przetwarzania sygnałów. I tak kolejne rozdziały w tej części prezentują: rozdz. 2 - próbkowanie sygnałów i analizę częstotliwościową, w tym DFT i interpolowane DFT, rozdz. 3 – podstawy statystycznego opisu i analizy sygnałów losowych, rozdz. 4 - filtrację cyfrową, rozdz. 5 - szybkie algorytmy obliczeniowe, głównie bazujące na FFT, rozdz. 6 – transformacje ortogonalne, zespoły filtrów i wielo-częstotliwościowe przetwarzanie sygnałów, rozdz. 7 – podstawy filtracji adaptacyjnej, rozdz. 8 – adaptacyjne filtry ortogonalne (kratowe, transformacyjne i podpasmowe), rozdz. 9 - zawansowane metody przetwarzania analogowo-cyfrowego i cyfro-analogowego oraz ich właściwości, rozdz. 10 - metody przetwarzania dynamiki sygnału, oraz rozdz. 11 – podstawy implementacji stałoprzecinkowej algorytmów. W rozdziałach tych w szczególny sposób są omówione zagadnienia, które są istotne w zastosowaniach telekomunikacyjnych.
II. MULTIMEDIA. W drugiej części książki w siedmiu rozdziałach (12-19) dokonaliśmy przeglądu metod, stosowanych w cyfrowym przetwarzaniu sygnałów multimedialnych: mowy, dźwięku, obrazów i filmów. Ponieważ stanowią one przedmiot transmisji, muszą zostać do tej transmisji w odpowiednio sposób przygotowane zakodowane, najczęściej „odchudzone”. Trzy pierwsze rozdziały 12, 13, 14 dotyczą cyfrowego przetwarzania sygnału mowy, a dokładniej: 1) metod kodowania sygnału mowy i sprawdzania jakości sygnału po zakodowaniu i rozkodowaniu, 2) filtracji zakłóceń, dodających się do sygnału mowy oraz detekcji faktu występowania mowy w nagranym sygnale, oraz 3) automatycznego rozpoznawania mowy (wypowiadanej treści). Następne dwa rozdziały 15, 16 są poświęcone 1) metodom i standardom kodowania dźwięku (fonii) oraz 2) metodom i standardom estymacji jakości sygnału dźwiękowego. Potem w rozdziale 17 zostały przedstawione techniki macierzowe (mikrofonowe oraz głośnikowe) w zastosowaniu do odbioru i generacji dźwięku przestrzennego. Część multimedialną kończą dwa rozdziały 18, 19, dotyczące 1) kodowania obrazów i ich sekwencji oraz 2) metod estymacji zniekształceń obrazu, które powoduje to kodowanie, na podstawie ich cyfrowej analizy.
III. TRANSMISJA. W trzeciej, ostatniej części książki, na którą składają się rozdziały 20-25, dokonaliśmy krótkiego wprowadzenia do zastosowania technik cyfrowego przetwarzania sygnałów we współczesnej telekomunikacji cyfrowej. W książce adresowana jest głównie transmisja radiowa, jako ta najtrudniejsza i najbardziej przyszłościowa, ale przedstawione są w niej także rozwiązania stosowane z powodzeniem do transmisji danych w liniach telefonicznych i kablowych (technologia xDSL - Digital Subscriber Lines) oraz w przewodach instalacji elektrycznej (PLC - Power Line Communications). Na początku w rozdz. 20 przedstawiliśmy atrakcyjne, nowoczesne metody analizy częstotliwościowej sygnałów, które nie wykorzystują DFT. Potem w rozdz. 21 omówiliśmy kanałowe kodowanie korekcyjne, które ma nas informować o tym, że wystąpiły błędy transmisji bitów, oraz ewentualnie umożliwić ich skorygowanie. Następnie w rozdz. 22 prezentujemy w ujęciu sygnałowym podstawy cyfrowej transmisji radiowej, a w rozdz. 23 - transmisji przewodowej (standardy xDSL i PLC). W obu przypadkach zajmujemy się problemem wyboru rodzaju modulacji sygnału oraz estymacji i redukcji zakłóceń transmisji, w tym identyfikacji i korekcji kanału. W rozdz. 24 omówiliśmy techniki wieloantenowe MIMO (Multiple Input Multiple Output), zwiększające odporność transmisji na zakłócenia i podnoszące przepływność bitową, a w rozdz. 25 - przedstawiliśmy od strony sygnałowej nowy standard LTE telefonii komórkowej czwartej generacji (4G). W tym miejscu należy zwrócić uwagę, że metody cyfrowego przetwarzania sygnałów, opisane w rozdz. 17, też mogą być wykorzystane do transmisji danych, gdyż mogą zostać bezpośrednio zastosowane do projektowania nie macierzy mikrofonowych i głośnikowych ale macierzy antenowych, charakteryzujących się specjalnym kształtowaniem wiązki (ang. beamforming).