Guía Docente 2017/2018...diseño de filtros. Por último, se describirán aplicaciones del filtrado y de la transformación de las señales digitales, como son el análisis espectral

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Universidad Católica San Antonio de Murcia – Tlf: (+34) 968 278 160 [email protected] – www.ucam.edu

Guía Docente 2017/2018

Tratamiento Digital de Señales

Digital Signal Processing

Grado en Ingeniería en Sistemas de Telecomunicación

Modalidad de enseñanza presencial

Tratamiento digital de señales

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Tratamiento Digital de Señales - Telf: (+34) 968 278825

Índice

Tratamiento Digital de Señales .......................................................................................... 2

Breve descripción de la asignatura ................................................................................... 2

Requisitos Previos .............................................................................................................. 2

Objetivos .............................................................................................................................. 3

Competencias ...................................................................................................................... 3

Metodología ......................................................................................................................... 4

Temario ................................................................................................................................. 5

Relación con otras materias ............................................................................................... 7

Sistema de evaluación ........................................................................................................ 7

Bibliografía y fuentes de referencia ................................................................................... 8

Web relacionadas ................................................................................................................ 9

Recomendaciones para el estudio y la docencia ........................................................... 10

Material necesario ............................................................................................................. 11

Tutorías .............................................................................................................................. 11


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Tratamiento Digital de Señales Módulo: Especialidad.

Materia: Procesado Digital de Señal.

Carácter: Obligatoria.

Nº de créditos: 6.0 ECTS.

Unidad Temporal: 3er curso – 1er semestre.

Profesor/a de la asignatura: Rafael Berenguer Vidal

Email: [email protected]

Horario de atención a los alumnos/as: lunes y viernes, de 10:30h a 11:30h.

Profesor/a coordinador de módulo, materia o curso:

Coordinador del Módulo: Prof. Rafael Melendreras Ruiz

Coordinador del Curso Académico (3er Curso): Prof. Inmaculada Sanchis Borrás

Breve descripción de la asignatura En las asignaturas “Señales y Sistemas” y “Teoría de la Comunicación” se introducía el procesado de señales y sistemas continuos y se abordaba la transmisión de señales a través de sistemas de comunicación.

“Tratamiento Digital de Señales” es una prolongación de ambas asignaturas. Así, esta asignatura se iniciará con el repaso de las señales discretas y digitales, y el muestreo como proceso para la obtención de estas señales. Posteriormente se definirán y aplicarán las dos transformadas más empleadas para el trabajo de este tipo de señales, la transformada Z y la transformada discreta de Fourier. A continuación, se definirán los procedimientos de filtrado y la metodología elemental del diseño de filtros. Por último, se describirán aplicaciones del filtrado y de la transformación de las señales digitales, como son el análisis espectral o filtrado adaptativo.

Brief Description

The courses “Signal and Systems” and “Communication Systems” introduced the students to the concepts of processing of signals in continuous systems. The transmission of analog and digital signals through communication systems were also addressed in them.

"Digital Signal Processing" is an extension of both subjects. Hence, this course begins with a review of discrete signals and sampling as a process for obtaining these signals. Afterwards, the most commonly used domain transforms will be defined and studied, i.e. the Z transform and the discrete Fourier transform. Next, filtering procedures and elementary methodology for designing filters are characterized. Finally, in this subject it will described some examples of applications of digital filtering and signal transformation into the frequency domain, such as spectral analysis of adaptive filtering.

Requisitos Previos Para conseguir los objetivos fijados para esta asignatura es necesario que el alumno haya adquirido las competencias asociadas a las asignaturas “Señales y Sistemas” y “Teoría de la Comunicación”,


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por su estrecha relación con ésta. Asimismo, es recomendable que el alumno haya adquirido las competencias correspondientes a las asignaturas de “Cálculo” (I y II), “Álgebra”, “Probabilidad y modelos aleatorios”, “Física” (I y II), “Campos electromagnéticos”, “Análisis y síntesis de circuitos” y “Electrónica digital”.

Objetivos Los objetivos específicos de la asignatura son:

1. Introducir al estudiante en las señales discretas, su muestreo y procesamiento básico.

2. Comprender el significado, metodología de cálculo y aplicaciones de las transformadas Z y discreta de Fourier en el procesado de señales discretas.

3. Entender el funcionamiento y diseño de filtros digitales para su aplicación en las señales discretas.

4. Introducir el filtrado adaptativo y el análisis espectral en las aplicaciones más habituales.

Competencias Competencias específicas

E1. Capacidad para construir, explotar y gestionar las redes, servicios, procesos y aplicaciones de

telecomunicaciones, entendidas éstas como sistemas de captación, transporte, representación,

procesado, almacenamiento, gestión y presentación de información multimedia, desde el punto de

vista de los sistemas de transmisión.

E6. Capacidad para analizar, codificar, procesar y transmitir información multimedia empleando

técnicas de procesado analógico y digital de señal.

Resultados de aprendizaje

RA. Analizar y determinar las características de los sistemas discretos.

RA. Defender cuál es la mejor solución planteada en un problema, justificando las ventajas e

inconvenientes.

RA. Determinar los procedimientos de procesado más apropiado para la transmisión de señales

digitales en redes y sistemas de comunicación.

RA. Trabajar en grupo solucionando problemas relacionados con el tratamiento digital de la señal

para la transmisión de información.

RA. Comprender el proceso de conversión de los dominios analógicos a discretos y las implicaciones

que presenta dicha conversión.

RA. Conocer los fundamentos y procedimientos de procesado de la señal en el dominio discreto.


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RA. Analizar las señales en el dominio del tiempo y dominio de la frecuencia.

RA. Analizar y determinar la solución más apropiada según las circunstancias para los problemas

relacionados con el procesado digital de la señal.

RA. Exponer y defender las soluciones propuestas a los problemas descritos anteriormente.

Metodología

Metodología Horas Horas de trabajo

presencial Horas de trabajo

no presencial

Clase teórica 23.5

60 horas (40 %) Clases prácticas y trabajo en grupo

20.0

Evaluación 4.5

Tutorías académicas 12.0

Estudio personal 37.5

90 horas (60 %) Preparación de trabajos y ejercicios

45.0

Actividades de aprendizaje virtual

7.5

TOTAL 150 60 90

Clase teórica: Exposición teórica por parte del profesor del temario de la asignatura en 24.2 horas. Tendrán lugar en un aula de la Universidad.

Clases prácticas y trabajo en grupo: El alumno dedicará 20 horas a la realización de actividades prácticas y de seminarios grupales, a efectuar en aula y en laboratorio.

Evaluación: El alumno empleará de 3.8 horas en la realización de exámenes presenciales. Se realizará un examen parcial de la asignatura y un examen final de la misma. Se seguirán los criterios generales de evaluación de la Universidad.

Tutorías académicas: El alumno empleará 12 horas en la asistencia a tutorías presenciales en las que se abordarán aspectos concretos de los temas desarrollados.

Estudio personal: El alumno empleará 35 horas en el estudio del temario de la asignatura.

Preparación de trabajos y ejercicios: Las prácticas y ejercicios de la asignatura presentadas en los seminarios y clases prácticas y trabajo en grupo requieren de 41.2 horas de trabajo no presencial por parte del alumno.

Actividades de aprendizaje virtual: El alumno empleará 13.8 horas no presenciales en la realización del trabajo en equipo.


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Temario

Programa de la enseñanza teórica

TEMA 0. INTRODUCCIÓN AL TRATAMIENTO DIGITAL DE SEÑALES.

0.1. Justificación y desarrollo del tratamiento de señal

0.2. Historia breve del TDS

0.3. El procesado digital

TEMA 1. SEÑALES Y SISTEMAS DE TIEMPO DISCRETO.

1.1. Introducción

1.2. Secuencias. Señales discretas.

1.3. Operaciones básicas con secuencias.

1.4. Sistemas discretos.

1.5. Clases de sistemas.

1.6. Sistemas lineales e invariantes.

1.7. Ecuaciones en diferencias.

1.8. El dominio de la frecuencia de señales discretas.

1.9. Problemas

TEMA 2. MUESTREO DE SEÑALES CONTINUAS.

2.1. Introducción

2.2. Procesado discreto de señales continuas

2.3. Cambio de la velocidad de muestreo

2.4. Problemas

TEMA 3. LA TRANSFORMADA Z Y SUS APLICACIONES.

3.1. Introducción

3.2. Estudio de la convergencia. ROC.


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3.3. Relación con la TF

3.4. Cálculo de la TZ y TZ-1

3.5. Sistemas LTI descritos con ecuaciones en diferencias

3.6. Propiedades con efecto en la ecuación de transferencia

3.7. Linealidad de fase. Retardo de grupo.

3.8. Problemas

TEMA 4. LA TRANSFORMADA DISCRETA DE FOURIER.

4.1. Introducción

4.2. Secuencias periódicas. Series discretas de Fourier (DFS).

4.3. Relación de la DFS con la transformada de Fourier

4.4. Propiedades de la DFS

4.5. DFT: Transformada discreta de Fourier

4.6. Propiedades de la DFT

4.7. Convolución lineal usando DFT’s

4.8. Introducción al análisis espectral

4.8. Problemas

TEMA 5. IMPLEMENTACIÓN Y DISEÑO DE FILTROS DIGITALES.

5.1. Introducción

5.2. Análisis y propiedades

5.3. Diseño de filtros

5.4. Introducción al filtrado adaptativo

Programa de la enseñanza práctica

Seminario 1 (2 horas). Tema 1: ejercicios y planteamientos prácticos referentes a los aspectos y conceptos presentados en el tema 1 de la asignatura.



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Las horas de los seminarios están añadidas al programa de enseñanza teórica.

Práctica 1 (2 horas). MATLAB y las señales discretas

Práctica 2 (2 horas). Simulink y las señales discretas

Práctica 3 (2 horas). La transformada Z y sus aplicaciones

Práctica 4 (2 horas). DFS, DFT y análisis espectral

Práctica 5 (2 horas). Diseño de filtros digitales.

Práctica 6 (2 horas). Procesado de señal con MATLAB y Arduino (utilizando ordenadores portátiles con posibilidad de moverla a Procesado Multimedia)

Para la realización de las prácticas se hará uso de la instalación del software Matlab y el Signal Processing Toolbox y DSP System Toolbox en los ordenadores de las API presenciales, y desde el propio ordenador del alumno a través de la API Virtual (http://www.ucam.edu/servicios/informatica/api-virtual).

Relación con otras materias Las competencias que se adquieren en esta asignatura son necesarias para el estudio de las siguientes asignaturas: “Fundamentos de audio y vídeo”, “Procesado multimedia”, “Servicios y servicios de comunicaciones II”, “Comunicaciones móviles e inalámbricas”, “Comunicaciones ópticas”, “Antenas”, “Microondas”, “Acústica arquitectónica”, “Electroacústica”, “Desarrollo de aplicaciones para TV digital” y “Desarrollo de aplicaciones para dispositivos móviles”.

Sistema de evaluación

Convocatoria de Febrero/Junio

El sistema de evaluación constará de los siguientes puntos:

1. Trabajos, problemas y prácticas: Podrán ser de realización individual o en grupo y tener un carácter teórico o práctico. Los elementos que forma parte de este concepto son:

Memoria de prácticas y validación. Boletines de problemas resueltos por el alumno. Resolución de problemas en clase.

El total de los documentos presentados por alumno se puntuará entre 0 y 10. Se valorará:

Formato, presentación, estructura y legibilidad de los documentos y presentaciones.


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Medios empleados y fuentes bibliográficas consultadas para su elaboración. Calidad y profundidad de los contenidos, así como los resultados y las conclusiones extraídas.

Se guardará su nota para la siguiente convocatoria del curso académico (convocatoria de Septiembre) si la nota alcanzada es, o está por encima, de 5.0 puntos. Se establece una nota de corte de 4.0 puntos.

2. Primera prueba parcial: Forma parte de este ítem la evaluación, que siguiendo el sistema general de evaluación de la Universidad, se realizará aproximadamente a mitad del cuatrimestre (prueba parcial). El alumno que la supere no volverá a examinarse de los contenidos específicos que se evalúen en la misma, y se guardará su nota para la siguiente convocatoria del curso académico (convocatoria de Septiembre) si la nota alcanzada es, o está por encima, de 5.0 puntos. Será puntuado entre 0 y 10. Se valorará:

Claridad en la exposición de los conceptos teóricos exigidos. Forma en que se plantea el ejercicio que se debe desarrollar. Resolución correcta del ejercicio.

Se establece una nota de corte de 4.0 puntos.

3. Prueba final-segunda prueba parcial: Forma parte de este ítem la evaluación, estará estructurada en dos partes, una correspondiente a segunda prueba parcial y otra a la reválida de la primera. Los alumnos que hayan superado la primera prueba parcial sólo tendrán que examinarse de la segunda. Se guardará su nota para la siguiente convocatoria del curso académico (convocatoria de Septiembre) si la nota alcanzada es, o está por encima, de 5.0 puntos. Cada parte se puntuará entre 0 y 10. Se establece una nota de corte de 4.0 puntos.

El rango de las ponderaciones para cada uno de los puntos anteriores será el siguiente:

Trabajos, problemas y prácticas: 20% Primera prueba parcial: 40% Segunda prueba parcial: 40%

Para poder superar la asignatura será necesario obtener al menos una nota de 4.0 en cada uno de los ítems anteriores y un 5.0 en la media ponderada de sus valores. En caso de no superar la asignatura en la convocatoria ordinaria y cumplir los requisitos de asistencia para evaluación continua, la nota de los ítems con 5.0 o más se conserva para la convocatoria de septiembre. Los detalles sobre el sistema de evaluación se encuentran recogidos en la normativa general de universidad.

Convocatoria de Septiembre:

Se evaluará de forma idéntica a la descrita para la convocatoria ordinaria.

Para la evaluación se exige una adecuada expresión y una correcta ortografía.

El alumno superará la asignatura cuando la media ponderada sea igual o superior a 5 puntos y tenga una nota de, al menos, 4 puntos en todas las partes que componen el sistema de evaluación cuya ponderación global sea igual o superior al 20%.


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Si el alumno tiene menos de un 4 en alguna de las partes cuya ponderación sea igual o superior al 20%, la asignatura estará suspensa y deberá recuperar esa/s parte/s en la siguiente convocatoria dentro del mismo curso académico. La/s parte/s superada/s en convocatorias oficiales (Febrero/Junio) se guardarán para las sucesivas convocatorias que se celebren en el mismo curso académico.

En caso de que no se supere la asignatura en la Convocatoria de Septiembre, no contarán las partes aprobadas para sucesivos cursos académicos.

El sistema de calificaciones (RD 1.125/2003. de 5 de septiembre) será el siguiente:

0-4,9 Suspenso (SS)

5,0-6,9 Aprobado (AP)

7,0-8,9 Notable (NT)

9,0-10 Sobresaliente (SB)

La mención de “matrícula de honor” podrá ser otorgada a alumnos que hayan obtenido una calificación igual o superior a 9,0. Su número no podrá exceder del 5% de los alumnos matriculados en una materia en el correspondiente curso académico, salvo que el número de alumnos matriculados sea inferior a 20, en cuyo caso se podrá conceder una sola matrícula de honor.

Bibliografía y fuentes de referencia

Bibliografía básica

“Discrete-Time Signal Processing“, Oppenheim A. V., Schafer R.W., 3/E, Pearson, 2010. (Temas de 1-5)

“Digital Signal Processing”, Proakis J. G., Manolakis D. K., 4/E., Pearson, 2009. (Temas de 1-5)

Bibliografía complementaria

“Tratamiento Digital de la Señal. Teoría y Aplicaciones”, Naranjo Ornedo, V., Albiol Colomer, A., Prades Nebot, J., Servicio Publicaciones UPV, 2007

“Digital Signal Processing Using Matlab”, Quinquis A., Wiley-ISTE, 2008

“Digital Signal and Image Processing Using MATLAB”, Blanchet G., Charbit M., Wiley-ISTE, 2006

“Introduction to Digital Signal Processing and Filter Design”, Shenoi B. A., Wiley-ISTE, 2005

“Digital Signal Processing”, Cavicchi T. J., Wiley-ISTE, 2000

“Digital Signal Processing: A Practitioner's Approach“, Rangarao K. V., Mallik R. K., Wiley-ISTE, 2005

Web relacionadas - Discrete-Time Signal Processing (MIT)


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http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-341-discrete-time-signal-processing-fall-2005/

- Tutorial y applets sobre DSP

http://dspcan.homestead.com/files/idxpages.htm

- Recursos Matlab sobre DSP

http://www.mathworks.com/dsp/?s_cid=global_nav

http://www.mathworks.com/products/signal/?BB=1

http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/

- Canal YouTube sobre DSP

http://www.youtube.com/user/allsignalprocessing

Recomendaciones para el estudio y la docencia Las recomendaciones básicas para estudiar la materia consisten en primer lugar en disponer de los conocimientos de base para iniciar su estudio. Por este motivo, es conveniente que el alumno haya adquirido las competencias indicadas en el apartado de requisitos previos.

En segundo lugar se anima a los estudiantes a seguir un estudio continuado de la materia con el fin de poder ir asimilando conocimientos. El estudio y asimilación de cada jornada docente deberá realizarse antes de la siguiente clase y complementado con la realización de los problemas y cuestiones propuestas. Como tiempo de estudio, se propone como mínimo un tiempo de estudio similar al indicado en la tabla de actividades formativas y metodología de enseñanza aprendizaje de esta asignatura.

Por este motivo, el punto clave para superar la asignatura con éxito, es “comprender” la materia y no tanto su “memorización”. En caso de dudas o cuestiones, el estudiante debe preguntar al profesor bien en clase, en el horario de atención al alum-no o bien telemáticamente. Como regla general una duda correctamente resuelta evita cinco interrogantes en el futuro.

Parte fundamental de la asignatura es la realización de los ejercicios y problemas propuestos en los diferentes boletines. La solución de éstos se entregarán el día indicado por el profesor. Adicionalmente en la jornada planificada, algunos alumnos realizarán en pizarra alguno de los problemas propuestos del boletín. El alumno deberá haber preparado previamente los problemas por si se le solicita que realice el problema en la pizarra.

Las prácticas deben ser realizadas por el alumno, y siempre con el objetivo claro de relacionar los ejercicios prácticos con los conocimientos teóricos a asimilar. En la siguiente práctica, el alumno deberá entregar la memoria con las soluciones a los ejercicios propuestos.

Por último, y con respecto a la asistencia, aunque se fijan unos mínimos en teoría y práctica, se recomienda a los alumnos la asistencia a la totalidad de las jornadas teóricas y prácticas de la asignatura.


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Material necesario Se precisa acceso a internet y las herramientas ofimáticas habituales. Cada tema será presentado en un documento pdf disponible desde el Campus Virtual, que será ampliado y comentado en las clases presenciales y resto de actividades presenciales.

Es recomendable el uso de calculadora científica y disponer de un lápiz de memoria para poder llevar a las sesiones prácticas y seminarios los documentos necesarios para su realización así como la confección de las memorias a entregar.

Los conceptos teóricos impartidos serán complementados mediante el trabajo con software Matlab y applets de acceso libre que permita al alumno visualizar e interactuar con los parámetros estudiados en las sesiones teóricas. El software Matlab, así como sus toolboxes, es accesible para los alumnos desde un API presencial ubicado en la propia Universidad o un API Virtual. El API Virtual es una plataforma que permite acceder, desde cualquier dispositivo con conexión a internet, a un gran número de aplicaciones informáticas sin necesidad de ninguna instalación previa. Los programas están listos para usarse directamente desde el api.ucam.edu

Gracias a esta infraestructura, es posible guardar cualquier archivo en el que se esté trabajando en un pendrive y continuar con el trabajo en casa o cualquier ordenador de la Universidad de forma segura y sin necesidad de preocuparte por nada más. Se precisa el usuario y clave de alumno UCAM para acceder (http://www.ucam.edu/servicios/informatica/api-virtual/como-acceder).

Tutorías Las tutorías se dedicarán a reforzar los conceptos y a comprobar que el alumno asimila todo lo explicado en las clases magistrales. Los objetivos formativos planteados para la tutoría son:

Orientación sobre los contenidos de la asignatura, los sistemas de evaluación y la metodología de enseñanza-aprendizaje, así como su vincula con otras materias y con el ejercicio profesional.

Seguimiento y evaluación de trabajos, problemas y ejercicios planteados como horas de trabajo no presencial.

Aclaración de dudas personales sobre los contenidos de la asignatura, memorias de las prácticas, trabajos o ejercicios planteados.

Entre las actividades que se van a realizar en estas sesiones tenemos:

Una primera sesión de planificación y planteamiento de la asignatura.

Tras cada tema se planteará una sesión de resolución de problemas a realizar por el estudiante en pizarra y con apoyo del profesor.

Antes del examen parcial y examen final una o varias sesiones de resolución de dudas, consolidación de conocimientos y actividades complementarias para asentar conocimientos impartidos.

La metodología de enseñanza va a ser compartida entre clase magistral y clase de resolución de problemas en pizarra por parte del alumno.


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Los trabajos y problemas realizados por los alumnos en las sesiones de tutorías se tendrán en

cuenta de forma positiva en la Evaluación Continua.

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