سیگنالها و سیستمها راهنمای جامع درس سیگنال ها و سیستم ها در مهندسی برق سئوراز

مباحث درس آموزش DSP به دو دسته تئوری (۸ قسمت) و شبیه سازی (۶قسمت) تقسیم شده است. اصولاً در انجام تمام پروژه‌های پردازشی به اصول تدریس شده در این مباحث احتیاج می‌باشد. شما می‌توانبد برای تهیه برد آموزشی پردازنده FPGA به فروشگاه نیراشاپ مراجعه نمایید. خب داشتم در یکی از انجمن ها گشت میزدم و همین سوال DSP چیست و چه کاربردی دارد ؟ را پرسیده بودن و همچنین گفته بودن کاربرد عملی آن کجاست. در زیر از دیدگاه های مختلف افراد مختلف و مهندسان مختلف به تعریف و تجربیان آنها می پردازیم و البته آقای مهندس در داخل فیلم ها به موارد کاربردی آموزش DSP بیشتر اشاره میکنن.

دنیای فرکانس‌ها در یک نگاه، به معنای درک و تحلیل ابعاد مختلف سیگنال‌ها از منظر فرکانس است که یکی از جنبه‌های اساسی پردازش سیگنال‌ها به شمار می‌آید. سیگنال‌ها در دنیای واقعی معمولاً ترکیبی از چندین فرکانس مختلف هستند که هرکدام ویژگی‌ها و اطلاعات خاص خود را حمل می‌کنند. به همین دلیل، تحلیل سیگنال‌ها در بُعد فرکانسی می‌تواند به ما کمک کند تا اجزای مختلف یک سیگنال پیچیده را شناسایی کرده و اطلاعات مفیدی استخراج کنیم. فیلترهای دیجیتال در MATLAB ابزارهای قدرتمندی برای پردازش سیگنال‌ها هستند که به‌ویژه در حذف نویز و تقویت سیگنال‌های مفید کاربرد دارند. این فیلترها با اعمال تغییرات مشخص بر روی سیگنال ورودی، نویزهای ناخواسته را کاهش داده و ویژگی‌های اصلی سیگنال را حفظ می‌کنند.

متلب ابزارهایی برای پردازش تصاویر ارائه می‌دهد که به کاربران اجازه می‌دهد تا عملیاتی مانند تغییر اندازه، فیلترگذاری، و استخراج ویژگی‌ها را انجام دهند. فرآیند نصب شامل چند مرحله است، از جمله پذیرش توافق‌نامه مجوز، انتخاب نوع نصب (Individual یا Network)، انتخاب محل نصب، و وارد کردن اطلاعات حساب MathWorks برای فعال‌سازی نرم‌افزار. در طول نصب، کاربران می‌توانند بسته‌های مختلف توابع و ابزارها را انتخاب کنند تا نصب شوند. این بسته‌ها شامل مجموعه‌ای از توابع کاربردی در زمینه‌های مختلف مانند پردازش سیگنال، پردازش تصویر، کنترل سیستم‌ها و دیگر حوزه‌های مهندسی است. پس از اتمام نصب، متلب آماده استفاده است و می‌توانید آن را از طریق منوی Start یا دسکتاپ اجرا کنید.

این شبکه از خطوط ارتباطی و سوئیچ‌های قابل تنظیم تشکیل شده که امکان اتصال بین بلوک‌های منطقی و سایر اجزای تراشه را فراهم می‌کنند. ماتریس‌های سوئیچینگ به طراحان اجازه می‌دهند تا مسیرهای داده‌ای مورد نیاز را به دلخواه خود تعریف کنند و بدین ترتیب مدارهای پیچیده‌ای را با اتصال‌های خاص پیاده‌سازی کنند. در ادامه به تفصیل بررسی می‌کنیم که چگونه می‌توان از این ابزار برای پردازش سیگنال‌های مختلف استفاده کرد. مهارت در یادگیری و آموزش پردازش سیگنال طیف وسیعی از فرصت‌های شغلی را باز می‌کند. صنایعی مانند مخابرات، چندرسانه‌ای، دستگاه‌های پزشکی، رباتیک، دفاع و مؤسسات تحقیقاتی فعالانه به دنبال متخصصانی با تخصص پردازش سیگنال هستند.

اگر پورتمان برداری (یعنی چندبیتی) بود، می‌‌توانستیم گزینه‌‌ی Fixed Point را انتخاب کنیم. بنابراین بلوک‌‌ها را به نحو مشخص شده در شکل زیر، به هم متصل می‌‌کنیم. در تنظیمات بخش کلاکینگ، شما باید فرکانس کلاکی که قصد دارید در نهایت و پس از پیاده‌‌سازی این کد، به این ماژول اعمال کنید را مشخص کنید. بنابراین می‌‌بایست در بخش FPGA Clock Period، پریود کلاک موردنظرتان را وارد کنید. من قصد دارم فرکانس ۱۰۰ مگاهرتز را اعمال کنم؛ بنابراین پریود کلاک را برابر با ۱۰ نانوثانیه وارد می‌‌کنم. در قسمت Output می‌‌توانید نوع خروجی را از بین دو گزینه‌‌ی Signed (یعنی علامت‌‌دار به صورت two's complement) و Unsigned (یعنی بدون علامت) مشخص کنید که ما معمولا خروجی را به صورت Unsigned برای شمارنده مشخص می‌‌کنیم.

در این بخش شما با توابع متعامد، سری فوریه، سیگنال های پیوسته متناوب و همچنین خواص سری فوریه آشنا می شوید. در ادامه به تبدیل فوریه سیگنال های مهم پردخته شده و در نهایت برخی از کاربردهای مهم تبدیل فوریه، تحلیل سیستم ها و امکان تبدیل آن ها با استفاده از سری فوریه بحث می شود. آخرین مبحث ارائه شده در تحلیل سیستم های LTI ، مدولاسیون و قضیه نمونه برداری است. متلب (MATLAB) یکی از محبوب‌ترین نرم‌افزارهای محاسباتی و برنامه‌نویسی است که برای حل مسائل ریاضی و علمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از متلب می‌توان به راحتی و با دقت بالا، محاسبات عددی، تحلیل داده‌ها، طراحی و شبیه‌سازی سیستم‌های کنترل و پردازش سیگنال و… را انجام داد.

MATLAB با داشتن توابع از پیش تعریف‌شده، این فرآیند را سریع و دقیق انجام می‌دهد. با مطالعه مقالات و کتاب‌های پژوهشی در زمینه آموزش پردازش سیگنال، از آخرین پیشرفت‌ها در این زمینه مطلع شوید. موضوعات موردعلاقه را کاوش کرده، نشریات کنفرانس‌هایی مانند کنفرانس‌های انجمن پردازش سیگنال IEEE (ICASSP، ICIP) را بخوانید و به کتاب‌های درسی مربوطه در این زمینه بپردازید. به یاد داشته باشید که کاربرد عملی و تجربه عملی برای تسلط بر پردازش سیگنال بسیار مهم است. روی پروژه‌ها کار کنید، در تمرین‌های کدنویسی شرکت کرده و سیگنال‌های واقعی را تجزیه‌وتحلیل کنید تا درک خود را تقویت کرده و مهارت‌های خود را توسعه دهید.

کلاسی که در آن شرکت کردم، واقعا برای من مفید بود و در هر جلسه با انگیزه حضور پیدا کردم. جنابعالی چون مطالبی را که ارائه می‌دهید حاصل تجربه کاری‌تان می‌باشد و آنها را خوب درک کردید، این مفاهیم به خوبی به مخاطبانتان انتقال داده می‌شود. اینجانب دانشجوی دکتری هستم و اعتقاد دارم تقریبا همه دوستان در صورت نیاز می‌توانند به منابع و مراجع رجوع کرده و هر تئوری که نیاز دارند را فرا بگیرند. آنچه که مهم بود و جنابعالی به خوبی از عهده آن برآمدید، لزوم فراگیری مفاهیم غیر پیچیده کاربردی بود که جهت در آن مشخص گردد. من سالهای اخیر با متلب کار نکرده بودم و همینطور با مسایل مخابراتی فیلتر و FFT و غیره.

ModelSim  یک ابزار شبیه‌سازی و تحلیل مدارهای دیجیتال است که توسط Mentor Graphics توسعه یافته است. این ابزار از هر دو زبان VHDL و Verilog پشتیبانی می‌کند و به طراحان امکان می‌دهد تا رفتار مدارهای خود را در شرایط مختلف شبیه‌سازی و بررسی کنند. ModelSim با ارائه امکانات پیشرفته تحلیل و دیباگ، به بهبود کیفیت و دقت طراحی‌های FPGA کمک می‌کند. تبدیل موجک یکی از ابزارهای پیشرفته برای تحلیل سیگنال‌هایی است که نوسانات غیر ایستا دارند. برخلاف تبدیل فوریه که سیگنال‌ها را در بازه‌های ثابت فرکانسی تجزیه می‌کند، تبدیل موجک این امکان را به شما می‌دهد که تغییرات فرکانسی را در طول زمان مشاهده کنید. ابزارهایی مانند designfilt و filtfilt این امکان را فراهم می‌کنند که شما بتوانید فیلترهای دلخواه خود را بدون پیچیدگی خاص طراحی کرده و برای تحلیل سیگنال‌های واقعی به کار بگیرید.

شرکت کنندگان در دوره آنلاین پردازش سیگنال با FPGA می‌توانند در صورت تمایل، برد آموزش FPGA فراد ۱ را با ۳۳ درصد تخفیف سفارش دهند. این دوره آنلاین، یک آموزش کامل در مورد نحوه استفاده از میکروکنترلر قابل پیاده‌سازی در FPGAهای شرکت زایلینکس یعنی میکروبلیز است که فقط به شرکت کنندگان در دوره آنلاین پردازش سیگنال با FPGA به عنوان هدیه ارائه می‌شود. اگر با الگوریتم‌های پردازش سیگنال دیجیتال آشنایی ندارید، این دوره، نحوه پیاده‌سازی الگوریتم‌ها را بدون نیاز به آشنایی با آنها و مطرح کردن حتی یک فرمول و رابطه ریاضی به شما می‌آموزد. فیلترهای دیجیتال ابزارهایی هستند که برای حذف نویز یا استخراج اطلاعات خاص از سیگنال مورد استفاده قرار می‌گیرند. در متلب، می‌توان از فیلترهای مختلفی مانند فیلترهای پایین‌گذر، بالاگذر، و میان‌گذر استفاده کرد.

Verilog یکی دیگر از زبان‌های توصیف سخت‌افزار است که به‌ویژه در صنعت الکترونیک دیجیتال محبوبیت زیادی دارد. این زبان نسبت به VHDL ساده‌تر و خواناتر است و برای طراحی‌های سریع و پروتوتایپینگ مناسب است. Verilog به‌طور گسترده در پروژه‌های FPGA و ASIC (مدارهای مجتمع با کاربرد خاص) استفاده می‌شود و به طراحان کمک می‌کند تا مدارهای دیجیتال را به سرعت و کارایی بالا پیاده‌سازی کنند. و نکته آخر اینکه من در این دوره، طراحی الگوریتم‌های پردازش سیگنال را آموزش نمی‌دهم. موضوع اصلی این دوره، نحوه پیاده‌سازی الگوریتم‌های پردازش سیگنال دیجیتال با FPGA است. گرچه در حین آموزش، در مورد بسیاری از الگوریتم‌ها و مفهوم آنها صحبت می‌کنم، اما طراحی الگوریتم‌های پردازشی، تخصصی کاملا مستقل است که فراتر از بحث ما در این دوره است.

به ویژه در درس هایی که نیاز به حل کردن مسائل وجود دارد مدیریت زمان و نحوه پاسخگویی بسیار مهم است. یکی از مهم ترین نکاتی که باید دانشجویان باید به آن توجه داشته باشند این است که تمام سوالات، چه آسان و چه سخت دارای نمره یکسان در آزمون می باشند. بنابراین با مدیریت زمان باید بتوانید بین سوالات دشوار و آسان هماهنگی ایجاد کنید. مرحله بعد اول با حل کردن سوالات راحت‌تر خیال خود را از از بابت گرفتن نصف نمره های مربوط به درس راحت کرده و سپس به سراغ سوالات مشکل تر بروید. به این ترتیب می توانید هم در زمان خود صرفه جویی کرده و هم بدون کمترین استرس مسائل پیچیده را حل نمایید.

بعد از آن، یک طرح کلی برای پیاده‌سازی آماده می‌کنید و سپس سیستم را به بخش‌های کوچک‌تر تقسیم می‌کنید. این بخش‌های کوچک‌تر را به مهندسان جایگاه دوم می‌دهید تا پیاده‌سازی کنند. وظیفه شما در این جایگاه، تحویل گرفتن الگوریتم‌های طراحی شده توسط مهندسان جایگاه اول است. اگر می‌خواهید به عنوان یک پیاده‌سازی حرفه‌ای مطرح شوید، خودتان را در جایگاه کمتر شناخته شده قرار دهید. در هر هفته، یک تمرین کامل را در بخش دوره‌های شما قرار می‌دهم تا بتوانید آموخته‌هایتان را به طور دقیق تمرین کنید.

دومین کتاب مبانی سیگنال ها و سیستم ها نام دارد که از انتشارات علوم رایانه است. شما در این کتاب با مبانی درس بصورت اصولی و پایه ای آشنا شده و سپس مسائل مرتبط با این درس را نیز به خوبی یاد می گیرید. عرص سلام و وقت بخیرآیا راهی هست که خروجی نمایش داده شده در scop رو به صورت تصویر مشاهده کنیم؟چون اطلاعات خروجی من اطلاعات پردازش شده یک عکس هست. تا اینجای کار، ما یک تاپ ماژول به نام Counter_top ایجاد کردیم و در آن، Counterای که در نرم‌‌افزار Simulink به کمک ابزار System Generator ساخته بودیم را به صورت یک IP، Instant کردیم. شما باید این دو بخش را همانند آنچه در زیر مشاهده می‌کنید، در کد تاپ ماژول‌تان، کپی کنید.

اولین نکته در مطالعه درس سیگنالها و سیستمها این است که ویژگی های مسائل مرتبط با آن را به خوبی بشناسید. ممکن است در نگاه اول اغلب سوالات این درس بسیار مشکل و سخت به نظر برسند، اما اگر نکات کلیدی را فرا بگیرید، بدون هیچ مشکلی می توانید آن ها را حل کنید. یکی از مهمترین نکاتی که دانشجویان رشته مهندسی برق باید به آن توجه داشته باشند این است که اغلب سوال های این درس نیاز به راه حل های پیچیده و دشوار ندارند و تنها با به کار بردن نکات کلیدی می توانید آنها را حل کنید. به این ترتیب در وقت شما هنگام امتحان، چه آزمون های دانشگاه و چه کنکور ارشد صرفه جویی زیادی صورت خواهد گرفت. تراشه DSP در اصل یه پروسسور هست که توانایی بسیار بالایی در انجام و محاسبات پیچیده پردازش سیگنال رو داره. در اولین مرحله، باید IP خود (یعنی ماژولی را که به کمک System Generator ساخته‌‌ایم) را به پروژه Add کنیم.

نباید برنامه نویسی برای fpga با برنامه نویسی برای dsp ها و cpu ها اشتباه گرفته شود. حتی اگر بخواهید با System Generator کار کنید، تنظیمات و نکات بسیار زیادی هست که فقط شخصی که با پیاده‌‌سازی الگوریتم‌‌های پردازش سیگنال بر روی FPGA به طور کلی آشنا است، می‌‌تواند این تنظیمات را به درستی انجام دهد. ابزار System Generator به شما کمک می‌کند یک مدل پردازشی را در نرم‌افزار متلب ایجاد بکنید، آن را شبیه‌سازی کنید و سپس تبدیل به یک ماجول قابل پیاده‌سازی در FPGA کنید. در عصر داده‌های بزرگ و هوش مصنوعی، FPGAها به‌عنوان شتاب‌دهنده‌های محاسباتی قدرتمند مورد استفاده قرار می‌گیرند. این تراشه‌ها با پردازش موازی و قابلیت پیکربندی مجدد، به اجرای سریع الگوریتم‌های پیچیده یادگیری ماشین و تحلیل داده‌ها کمک می‌کنند.

اما آنها نمی‌توانند مدل‌های تهیه شده توسط مهندسان جایگاه اول را مستقیما دریافت و پیاده‌سازی کنند، چون زبان مشترکی با آنها ندارند. مثال‌هایی که در این دوره پیاده‌سازی می‌شوند شامل فرآیند نسبتا طولانی از مدل‌سازی تا پیاده‌سازی هستند. دستورالعمل کامل انجام مجدد این مثال‌ها را در انتهای هر جلسه در بخش "دوره‌های من" قرار می‌دهم. بنابراین، می‌توانید شش مثال بسیار مهم و کاربردی که در این دوره مطرح می‌شوند را بارها و بارها تمرین کنید تا کاملا به پیاده‌سازی الگوریتم‌ها مسلط شوید. شما به محض ثبت‌نام در این دوره، به درس‌های اولین جلسه دسترسی خواهید داشت و می‌توانید همین حالا یادگیری را شروع کنید. کل دوره و هدایای آن مجموعا شامل حدود ۳۳ ساعت آموزش ویدئویی است که در پنج هفته در دسترس شما قرار می‌گیرد.

درس DSP جز دروس اصلی و پایه می‌باشد و اگر بتوانید از این دسته دوره‌های آموزشی در کنار تدریس اساتید خود در کلاس استفاده کنید قطعاً پایان‌ترم و نتیجه متفاوتی در درک مفاهیم را شاهد خواهید بود. درس سیگنال ها و سیستم ها یکی از مهمترین منابع برای تمامی گرایش های مهندسی برق است. و به همین دلیل در کنکور مقطع کارشناسی ارشد مهندسی برق هم از اهمیت بالایی برخوردار است. به طور مثال برای دانشجویان رشته مخابرات این درس بسیار اهمیت داشته است به نحوی که ضریب آن ۴ است. اما برای دانشجویان رشته های برق قدرت، مکاترونیک و مهندسی هوافضا این درس تنها ضریب ۱ دارد. برای دانشجویان رشته الکترونیک، کنترل، مخابرات میدان و موج هم این درس ضریب دو دارد.

کدهای شبیه سازی در اختیار شما قرار می‌گیرد تا بتوانید بیشتر تمرین کنید. اولین موضوعی که در درس سیگنال ها و سیستم ها به شما آموزش داده می شود، سیگنال های پیوسته زمانی است. در این فصل شما با مفاهیم اولیه ای همچون انرژی و توان سیگنال آشنا می شوید. در ادامه انواع سیگنال های با اهمیت، تابع ضربه و دلایل کاربرد آن مورد بحث قرار می گیرند. و در نهایت فصل با مبحث تبدیل های خطی سیگنال های پیوسته زمانی است که بطور دقیق بررسی می شوند.

در این کد، دو سیگنال سینوسی با فرکانس‌های 50 و 120 هرتز تولید شده و سپس تبدیل فوریه سریع بر روی آن‌ها اعمال می‌شود. نمودار فرکانسی سیگنال با استفاده از plot نمایش داده می‌شود که نشان‌دهنده ترکیب فرکانس‌های موجود در سیگنال است. در نهایت، اگر شما به دنبال ابزاری برای تحلیل سیگنال‌ها در حوزه‌های مختلفی مانند مخابرات، پزشکی، صوت، تصویر و حتی علوم فضایی هستید، MATLAB قطعاً یکی از بهترین گزینه‌ها است. این پلتفرم با ترکیب قدرت محاسباتی و محیط کاربری ساده، به پژوهشگران و مهندسان کمک می‌کند تا به نتایج دقیق و معناداری در پروژه‌های خود دست یابند. این مسئله که بلوکی که با sysgen پیاده می شود به اندازه کد vhdl یک شخص حرفه ای بهینه نیست اشتباه هست.

برای اینکه بتوانیم عددهای ورودی و خروجی را بهتر ببینیم، مطابق شکل، روی آن‌‌ها کلیک راست می‌‌کنیم و از بخش Radix گزینه Unsigned Decimal را انتخاب می‌‌کنیم تا عددها به صورت دسیمال دربیاید. حال به پوشه‌‌ای از کامپیوتر که در آن، خروجی سنتز شده‌‌ی بلوک System Generator را ذخیره کرده بودیم می‌‌رویم. را انتخاب می‌‌کنیم و با دبل‎‌کلیک روی این فایل، آن را به پروژه‌مان اضافه می‌‌کنیم. اگر Updown را انتخاب کنید و در پایین پنجره تنظیمات، گزینه‌‌ی Apply را کلیک کنید، در محیط مدل خود می‌‌بینید که یک پورت ورودی به بلوک شمارنده اضافه می‌‌شود که صفر یا یک بودنش می‌‌تواند جهت شمارش را مشخص کند. بنابراین پس از تولید IP، می‌‌توانید آن را در پروژه‌‌ی خودتان اضافه کرده و پیاده‌‌سازی کنید. در واقع شما با این کار می‌‌توانید یک عملیات خودکار پیاده‌‌سازی از مرحله‌‌ی مدلینگ به مرحله‌‌ی پیاده‌‌سازی در نرم‌‌افزار ISE داشته باشید.

پردازش سیگنال دانش و ابزارهایی را برای تجزیه‌وتحلیل و درک انواع مختلف سیگنال‌ها فراهم می‌کند. این ترند به شما امکان می‌دهد تا بینش‌هایی در مورد ویژگی‌ها، نوع و رفتار سیگنال‌ها به دست آورید که در زمینه‌هایی مانند مخابرات، پردازش صدا، پردازش تصویر و مهندسی زیست پزشکی بسیار مهم است. بعد از اتمام این دوره، شما قادر خواهید بود انواع الگوریتم‌های پردازش سیگنال دیجیتال را به راحتی و به کمک سیستم ۷-مرحله‌ای معرفی شده در این دوره با FPGA پیاده‌سازی کنید. البته مثل هر فرآیند یادگیری دیگری، مطمئنا تمرین و پیگیری شما بعد از اتمام دوره برای تسلط به این مهارت‌ها و درک بهتر آنها بسیار مفید خواهد بود. شرکت کنندگان در دوره آنلاین پردازش سیگنال با FPGA می‌توانند در صورت تمایل از تخفیف ۲۰ درصدی برای شرکت در دوره آنلاین طراحی دیجیتال با FPGA استفاده کنند. حالا سال‌ها است که سیستم‌های پیچیده پردازش سیگنال دیجیتال را به کمک این سیستم روی تکنولوژی FPGA پیاده‌سازی می‌کنم.

Field Programmable Gate Array به معنای آرایه دروازه‌های قابل برنامه‌ریزی میدانی است. به زبان ساده، یک تراشه الکترونیکی است که می‌توانیم عملکرد داخلی آن را پس از تولید تغییر دهیم. این ویژگی باعث شده تا FPGAها به ابزاری بسیار قدرتمند در طراحی مدارهای دیجیتال تبدیل شوند. برخلاف میکروکنترلرها که برنامه‌هایشان در حافظه ذخیره می‌شود، به ما اجازه می‌دهند تا خود مدار را پیکربندی کنیم و عملکردهای مختلفی را پیاده‌سازی کنیم. نکته دومی که باید حتما به آن مسلط باشید، روش‌‌ها و تکنیک‌‌های پیاده‌‌سازی الگوریتم‌‌های پردازش سیگنال در FPGA است. تنها با آگاهی و تسلط به این نکات، روش‌‌ها و تکنیک‌‌ها است که شما می‌‌توانید در صورت نیاز به استفاده از System Generator، آن را به نحو مناسب و بهینه و با دید باز و بینش کافی استفاده کنید.