Digital Signal Processing

You are here

Credits
6
Types
Specialization complementary (Computer Engineering)
Requirements
  • Prerequisite: CI
Department
ESAII
The subject “Digital Signal Processing aims to teach the student in the basic tools and techniques of digital signal processing and the hardware necessary for the implementation of these systems. A digital signal processor, or DSP, is a system based on a processor or microprocessor that has an instruction set, hardware and software optimized for applications that require very high speed numerical operations. The most common applications of a DSP are those that require real time processing, such as video and audio processing, instrumentation, communications, medical diagnostic equipment, mobile devices, digital TV, synthesis/recognition of voice, M3, etc.

Subject assessment is based on partial control, laboratory activities, and teamwork reports, being able to pass the subject without taking a final exam.

Teachers

Person in charge

  • Antoni Grau Saldes ( )

Weekly hours

Theory
1.3
Problems
0.7
Laboratory
2
Guided learning
0.4
Autonomous learning
5.6

Competences

Technical Competences

Common technical competencies

  • CT1 - To demonstrate knowledge and comprehension of essential facts, concepts, principles and theories related to informatics and their disciplines of reference.
    • CT1.1B - To demonstrate knowledge and comprehension about the fundamentals of computer usage and programming. Knowledge about the structure, operation and interconnection of computer systems, and about the fundamentals of its programming.
    • CT1.2A - To interpret, select and value concepts, theories, uses and technological developments related to computer science and its application derived from the needed fundamentals of mathematics, statistics and physics. Capacity to solve the mathematical problems presented in engineering. Talent to apply the knowledge about: algebra, differential and integral calculus and numeric methods; statistics and optimization.
    • CT1.2B - To interpret, select and value concepts, theories, uses and technological developments related to computer science and its application derived from the needed fundamentals of mathematics, statistics and physics. Capacity to understand and dominate the physical and technological fundamentals of computer science: electromagnetism, waves, circuit theory, electronics and photonics and its application to solve engineering problems.
    • CT1.2C - To use properly theories, procedures and tools in the professional development of the informatics engineering in all its fields (specification, design, implementation, deployment and products evaluation) demonstrating the comprehension of the adopted compromises in the design decisions.
  • CT2 - To use properly theories, procedures and tools in the professional development of the informatics engineering in all its fields (specification, design, implementation, deployment and products evaluation) demonstrating the comprehension of the adopted compromises in the design decisions.
    • CT2.3 - To design, develop, select and evaluate computer applications, systems and services and, at the same time, ensure its reliability, security and quality in function of ethical principles and the current legislation and normative.
  • CT5 - To analyse, design, build and maintain applications in a robust, secure and efficient way, choosing the most adequate paradigm and programming languages.
    • CT5.5 - To use the tools of a software development environment to create and develop applications.
    • CT5.6 - To demonstrate knowledge and capacity to apply the fundamental principles and basic techniques of parallel, concurrent, distributed and real-time programming.
  • CT6 - To demonstrate knowledge and comprehension about the internal operation of a computer and about the operation of communications between computers.
    • CT6.2 - To demonstrate knowledge, comprehension and capacity to evaluate the structure and architecture of computers, and the basic components that compound them.
  • CT7 - To evaluate and select hardware and software production platforms for executing applications and computer services.
    • CT7.2 - To evaluate hardware/software systems in function of a determined criteria of quality.

Transversal Competences

Information literacy

  • G6 - To manage the acquisition, structuring, analysis and visualization of data and information of the field of the informatics engineering, and value in a critical way the results of this management.
    • G6.3 - To plan and use the necessary information for an academic essay (for example, the final project of the grade) using critical reflection about the used information resources. To manage information in a competent, independent and autonomous way. To evaluate the found information and identify its deficiencies.

Technical Competences of each Specialization

Computer engineering specialization

  • CEC1 - To design and build digital systems, including computers, systems based on microprocessors and communications systems.
    • CEC1.1 - To design a system based on microprocessor/microcontroller.
    • CEC1.2 - To design/configure an integrated circuit using the adequate software tools.
  • CEC2 - To analyse and evaluate computer architectures including parallel and distributed platforms, and develop and optimize software for these platforms.
    • CEC2.3 - To develop and analyse software for systems based on microprocessors and its interfaces with users and other devices.
  • CEC3 - To develop and analyse hardware and software for embedded and/or very low consumption systems.
    • CEC3.1 - To analyse, evaluate and select the most adequate hardware and software platform to support embedded and real-time applications.
    • CEC3.2 - To develop specific processors and embedded systems; to develop and optimize the software of these systems. 

Objectives

  1. Diferenciar els diferents tipus de sistemes, i definir quines són les seves característiques
    Related competences: G6.2, CT1.2B,
  2. Comprendre les característiques especifiques d'un processador DSP respecte un processador de propòsit general
    Related competences: CT6.2, CEC3.1, CT1.1B, CT1.2B,
  3. Diferenciar els diferents tipus de senyals, i definir quines són les seves característiques
    Related competences: G6.2, CT1.2B,
  4. Comprendre el significat i beneficis del processament digital del senyal (PDS), i quines són les àrees d'aplicació més habituals
    Related competences: CEC3.2, CEC3.1, G6.2, CT1.1B, CT1.2B,
  5. Comprendre el fonaments del procés de conversió analògic a digital, la interfície necessària en un sistema DSP i les limitacions inherents d'aquest procés.
    Related competences: CEC3.2, CEC1.2, CT6.2, CEC3.1,
  6. Especificar, analitzar i determinar els paràmetres bàsic d'una interfície d'entrada o sortida analògica (adquisició i reconstrucció).
    Related competences: CEC1.1, CEC1.2, CEC3.1,
  7. Conèixer i aplicar la dualitat del domini temps-freqüència del senyal. Comprendre les relacions existents entre ambdós dominis
    Related competences: CT1.2A, CT1.2C, G6.3, CT1.2B,
  8. Dominar les diverses alternatives per a la implementació de la transformada de Fourier per senyals discretes
    Related competences: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, G6.3, CT7.2, CT5.6, CT1.2B,
  9. Reconèixer la utilitat de les transformacions discretes en el camp del PDS, i saber aplicar aquestes tècniques
    Related competences: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, G6.3, CT7.2, CT5.6, CT1.2B,
  10. Utilitzar la transformada z per a la representació, anàlisi i disseny de senyals i sistemes discrets
    Related competences: CT1.2A, CT1.2C, CT1.2B,
  11. Definir les aplicacions més habituals de la transformada z en els sistemes de PDS
    Related competences: CEC2.3, CEC3.1, CT5.6, CT2.3,
  12. Conèixer i saber aplicar la tècnica de la correlació en l'àmbit del PDS
    Related competences: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, CEC3.1, CT1.2B, CT2.3,
  13. Conèixer els àmbits d'aplicació dels filtres en els sistemes DSP
    Related competences: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2B,
  14. Dissenyar filtres segons els requisits de l'aplicació
    Related competences: CEC1.2, CT6.2, CT5.5, CT1.2B,
  15. Saber aplicar els filtres FIR i filtres IIR segons els requisits de l'aplicació
    Related competences: CEC2.3, CT1.2A, CEC1.2, CT1.2B,
  16. Conèixer les diferències en l'arquitectura dels DSP de coma flotant i de coma fixa
    Related competences: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, CEC1.1, CT7.2, CEC3.1, CT5.5, CT5.6, CT1.1B, CT1.2B,
  17. Analitzar els errors inherents en els sistemes DSP deguts a la quantificació i la resolució finita
    Related competences: CEC2.3, CT7.2, CT6.2, CEC3.1, CT1.1B, CT1.2B,
  18. Saber utilitzar els entorns de desenvolupament basats en DSP, pel ràpid desenvolupament de prototips
    Related competences: CT7.2, CEC3.1, CT5.5, CT2.3,
  19. Saber utilitzar els paquets de computació numèrica per la simulació, anàlisi i desenvolupament algorismes en l'àmbit del DSP
    Related competences: CT5.5, CT1.2B, CT2.3,
  20. Saber aplicar les tècniques del DSP en els sistemes d'àudio
    Related competences: CEC2.3, CEC3.2, G6.3, CEC1.1, CT7.2, CT5.5, CT2.3,
  21. Saber aplicar les tècniques del DSP en l'àmbit de l'imatge
    Related competences: CEC2.3, CEC3.2, G6.3, CEC1.1, CT7.2, CT5.5, CT2.3,
  22. Saber aplicar les tècniques del DSP en l'àmbit del vídeo
    Related competences: CEC2.3, CEC3.2, G6.3, CT7.2, CT5.5, CT2.3,
  23. Aplicar les tècniques de compressió de la informació (JPEG, MPEG, ...)
    Related competences: CEC3.2, G6.3, CT7.2, CEC3.1, CT5.6, CT2.3,
  24. Conèixer els components bàsics d'un sistema de processament digital del senyal
    Related competences: CEC2.3, CEC1.1, CT6.2, CT2.3,
  25. Conèixer i saber aplicar la tècnica de la convolució en l'àmbit del PDS
    Related competences: CEC2.3, CEC3.2, CT1.2A, CT1.2C, CEC3.1, CT1.2B, CT2.3,

Contents

  1. Introduction
    - Senyals, sistemes i processat del senyal.
    - Aplicacions del PDS
    - Operadors bàsics en el PDS
    - Arquitectura dels microprocessadors DSP
    - Estructura dels sistemes PDS
  2. SIgnal discretization
    - Mostreig de senyals. Sinusoide mostrejada.
    - Teorema del mostreig.
    - Espectre dels senyals mostrejats.
    - Relació de freqüències continu-discret.
    - Conversió analògic a digital. Quantificacions.
    - Conversió digital a analògic. Reconstrucció.
  3. Fourier Transform
    - Aplicacions. Equalització, filtrat i compressió d' àudio, imatges i vídeo.
    -Transformada discreta de Fourier (DFT).
    - Algorisme ràpid (FFT).
    - Transformada Inversa de Fourier
    - Altres transformades discretes (DCT,Wavelet)

  4. Z-transform and signal processing
    - Transformada Z.
    - Transformada Inversa Z.
    - Propietats de la transformada Z.
    - Aplicacions de la transformada Z en el PDS
  5. Correlation and convolution

    - Correlació creuada i autocorrelació
    - Fast correlation.
    - Convolució. Circular. Deconvolució. Fast linear convolution.
    - Exemples d'aplicacions.
  6. Digital Filters
    - Introducció
    - Funció de transferència.
    - Resposta impulsional.
    - Estabilitat.
    - Resposta freqüencial.
    - Estructures.
    - Criteris i procediment pel disseny de filtres digitals
    - Disseny de filtres de resposta impulsional finita
    - Disseny de filtres de resposta impulsional infinita
    - Exemples
  7. Processors for signal processing

    - Arquitectura i tipus
    - Criteris de selecció.
    - Implementació dels algorismes en PDS de propòsit general.
    - PDS de propòsit específic.
    - Sistemes de desenvolupament pel PDS.
  8. Audio signal processing

    Equalització
    Efectes de so
    Compressió
    Sintetitzador de so i veu
  9. Image and video signal processing
    Formats d'imatges. Compressió
    Efectes d'imatge
    Equalització
    Compressió de vídeo

Activities

Activity Evaluation act


Examen Final


Objectives: 4 24 2 3 1 5 6 7 8 9 10 11 12 25 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Week: 15 (Outside class hours)
Type: final exam
Theory
0h
Problems
0h
Laboratory
0h
Guided learning
3h
Autonomous learning
16h

Examen de Laboratori


Objectives: 4 24 7 8 11 12 25 14 16 17 18 19 20 21 22 23
Week: 15 (Outside class hours)
Type: lab exam
Theory
0h
Problems
0h
Laboratory
0h
Guided learning
2h
Autonomous learning
6h

Examen Parcial


Objectives: 4 24 2 3 1 5 6 7 8 9 10 11 12 25
Week: 8
Type: theory exam
Theory
2h
Problems
0h
Laboratory
0h
Guided learning
0h
Autonomous learning
10h

Desenvolupament del Tema 1

Participar activament en la sessió presencial. Estudi autònom dels materials propossats. Resolució dels problemes proposats. Busqueda d'informció i sistemes en que el PDS és clau.
Objectives: 4 24
Contents:
Theory
1.5h
Problems
0.5h
Laboratory
0h
Guided learning
0h
Autonomous learning
3h

Desenvolupament del Tema 2

Participar activament en la sessió presencial. Estudi autònom dels materials propossats. Resolució dels problemes proposats.
Objectives: 3 1 5 6
Contents:
Theory
1.4h
Problems
0.6h
Laboratory
0h
Guided learning
0h
Autonomous learning
2h

Desenvolupament Tema 3

Participar activament en les sessions presencials. Estudi autònom dels materials proposats. Resolució dels problemes proposats. Recerca d'informació respecte les diferents transformades discretes: concepte, propietats, implementació i aplicació en el PDS.
Objectives: 4 7 8 9 20 21 22
Contents:
Theory
3h
Problems
1h
Laboratory
0h
Guided learning
1h
Autonomous learning
4h

Desenvolupament Tema 4

Participar activament en les sessió presencial. Estudi autònom dels materials proposats. Resolució dels problemes proposats
Objectives: 10 11
Contents:
Theory
1.4h
Problems
0.6h
Laboratory
0h
Guided learning
0h
Autonomous learning
2h

Desenvolupament Tema 5

Participar activament en la sessió presencial. Estudi autònom dels materials proposats. Resolució dels problemes proposats
Objectives: 12 25
Contents:
Theory
1.4h
Problems
0.6h
Laboratory
0h
Guided learning
0h
Autonomous learning
2h

Desenvolupament Tema 6

Participar activament en les sessions presencials. Estudi autònom dels materials proposats. Resolució dels problemes proposats
Objectives: 7 13 14 15
Contents:
Theory
2.5h
Problems
1.5h
Laboratory
0h
Guided learning
0h
Autonomous learning
4h

Desenvolupament Tema 7

Participar activament en les sessions presencials. Estudi autònom dels materials proposats. Resolució dels problemes proposats
Objectives: 17 18 20 21 4 24 2 16
Contents:
Theory
2h
Problems
2h
Laboratory
0h
Guided learning
0h
Autonomous learning
3h

Desenvolupament Tema 8

Participar activament en les sessions presencials. Estudi autònom dels materials proposats. Resolució dels problemes proposats
Objectives: 4 24 17 18 19 20 23
Contents:
Theory
2h
Problems
2h
Laboratory
0h
Guided learning
1h
Autonomous learning
3h

Desenvolupament Tema 9

Participar activament en les sessions presencials. Estudi autònom dels materials proposats. Resolució dels problemes proposats
Objectives: 4 17 18 19 21 22 23
Contents:
Theory
2h
Problems
2h
Laboratory
0h
Guided learning
1.5h
Autonomous learning
4h

Pràctica 1

Lectura comprensiva de l'enunciat de la pràctica, i de la resta de materials indicats a l'enunciat. Realització de les activitats prèvies indicades a l'enunciat. Realització dels exercicis que s'han d'entregar a l'inici de la sessió de laboratori.
Objectives: 4 24 2 3 1 5 6 17 18 20
Contents:
Theory
0h
Problems
0h
Laboratory
6h
Guided learning
0h
Autonomous learning
4h

Pràctica 2

Lectura comprensiva de l'enunciat de la pràctica, i de la resta de materials indicats a l'enunciat. Realització de les activitats prèvies indicades a l'enunciat. Realització dels exercicis que s'han d'entregar a l'inici de la sessió de laboratori.
Objectives: 4 24 2 7 8 9 10 11 12 25 20
Contents:
Theory
0h
Problems
0h
Laboratory
6h
Guided learning
0h
Autonomous learning
6h

Pràctica 3

Lectura comprensiva de l'enunciat de la pràctica, i de la resta de materials indicats a l'enunciat. Realització de les activitats prèvies indicades a l'enunciat.
Objectives: 4 2 3 1 13 14 15 19
Contents:
Theory
0h
Problems
0h
Laboratory
4h
Guided learning
0h
Autonomous learning
4h

Pràctica 4

Lectura comprensiva de l'enunciat de la pràctica, i de la resta de materials indicats a l'enunciat. Realització de les activitats prèvies indicades a l'enunciat.
Objectives: 16 17 18 19 20 23
Contents:
Theory
0h
Problems
0h
Laboratory
4h
Guided learning
0h
Autonomous learning
6h

Pràctica 5

Lectura comprensiva de l'enunciat de la pràctica, i de la resta de materials indicats a l'enunciat. Realització de les activitats prèvies indicades a l'enunciat.
Objectives: 17 19 21 22 23
Contents:
Theory
0h
Problems
0h
Laboratory
6h
Guided learning
0h
Autonomous learning
8h

-

Realització s'un treball relacionat amb el contingut de l'assignatura, on s'ha de realitzar l'èmfasi en la part de recerca bibliogràfica. L'estudiant ha d'utilitzar bases de dades de recursos d'informació avançades, saber realitzar cerques en ella, i valorar críticament les referències localitzades.
Objectives: 4 24 2 3 1 5 6 7 8 9 10 11 12 25 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Week: 15
Type: problems exam
Theory
0h
Problems
0h
Laboratory
0h
Guided learning
0h
Autonomous learning
0h

Evaluation methodology

La nota de l'assignatura s'obté a partir de dos components: la nota de teoria/problemes (NT) i la nota de laboratori (NL). Les dues components tenen un pes del 50% de la nota final.

NT s'obté a partir d'un Examen Parcial (EP), que té un pes del 30% en la NT, d'un Examen Final (EF), que té un pes del 60% en la NT, i de l'avaluació de les activitats relacionades directament amb la competència transversal (ACT), que té un pes del 10% en la NT.

ACT s'obté de la realització d'un treball relacionat amb el contingut de l'assignatura, on l'estudiant buscarà informació per completar els aspectes treballats. Es fa especial atenció en allò relatiu a la qualitat de les referències utilitzades, la seva obtenció i valoració crítica, i la seva correcte citació.

La nota obtinguda a EP es pot recuperar amb EF, ja que el pes corresponent (30%) s'aplica sobre el màxim de les dues notes.
NT=max(0.30*EP+0.6*EF+0.10*ACT, 0.9*EF+0.10*ACT)

La nota de laboratori NL s'obté a partir de la mitjana de les avaluacions individuals de les pràctiques (NL1) i la nota d'un examen final de practiques (NL2). Es realitzaran 5 pràctiques avaluables durant el curs.
NL=0,5NL1+0,5NL2
La nota NL1 s'obté a partir del treball realitzat a totes les sessions de laboratori, així com per la feina de preparació que requereixen que es presenta i avalua a l'inici de les sessions de laboratori.

La fòrmula que descriu la nota final de l'assignatura és:

NOTA = 0.5*NT+ 0.5*NL on
NT=max(0.30*EP+0.6*EF+0.10*ACT, 0.9*EF+0.10*ACT)
NL=0.5*NL1+0.5*NL2


* És condició necessària per superar l'assignatura realitzar i presentar adequadament les pràctiques de laboratori.

Bibliography

Basic:

Complementary:

Previous capacities

Programació en llenguatge C.
Programació en algun llenguatge ensamblador.
Coneixement del concepte de circuit electrònic, i de components electrònics.
Saber com es representen els números en un computador, i saber realitzar operacions aritmètico-lògiques.
Conèixer el funcionament i estructura del processador.
Conèixer l'arquitectura i funcionament d'un computador.
Entendre correctament documentació escrita en anglès.