Ćwiczenia 1

Analiza_sygnałów_-_ćwiczenia/Sygnały

Narzędzia wykorzystywane na ćwiczeniach

Python

Python jest językiem programowania wysokiego poziomu, który w połączeniu z bibliotekami NumPy i SciPy do obliczeń naukowych pozwala na szybkie i wygodne programowanie lub analizowanie danych w sposób interaktywny. Przykłady prezentowane w ramach zajęć powinny uruchamiać się zarówno w wersji 2 jak i 3 języka Python, jednak zachęcamy Państwa, aby od początku uczyć się i korzystać z wersji 3 języka.

Szczególnie przydatne na analizie sygnałów będą moduły:

• numpy
• scipy
• matplotlib

Do reprezentowania sygnałów w programach będziemy stosować tablice numpy:

• ndarray

Jest to zarówno efektywne jeśli chodzi o pamięć jak i o szybkość wykonywania operacji matematycznych.

Dokumentacja modułu scipy.signal

Proszę zapoznać się z dokumentacją biblioteki scipy.signal:

https://docs.scipy.org/doc/scipy/reference/

Svarog

Przydatnym narzędziem do analizy sygnałów, z którego będziemy korzystać na zajęciach, jest program SVAROG (pierwotnie skrót od Signal Viewer, Analyzer and Recorder On GPL). Program działa w środowisku Java, jest więc niezależny od systemu operacyjnego (Linux, Windows, OS X…). Svarog pozwala na wczytywanie i analizowanie sygnałów (nie tylko bioelektrycznych), zarówno przy użyciu prostych (FFT, spektrogram) jak i bardziej zaawansowanych (matching pursuit, ICA, DTF itd.) narzędzi. Dzięki współpracy z platformą OpenBCI, możliwa jest rejestracja sygnału (łącznie z metadanymi) bezpośrednio z poziomu graficznego interfejsu użytkownika.

Svarog: uruchamianie i konfiguracja

Aktualną wersję programu Svarog można pobrać [1]. Program nie wymaga instalacji. Po rozpakowaniu paczki do dowolnego katalogu należy uruchomić skrypt „run-svarog.sh” lub uruchomić bezpośrednio plik *.jar.

Aktualnie najnowsza wersja jest tutaj: https://gitlab.com/fuw_software/svarog2-packager/-/releases :)

W przypadku pracy na własnych komputerach, do prawidłowego uruchomienia pluginu do analizy sygnałów, z którego będziemy korzystać w dalszej części ćwiczeń, konieczne jest zainstalowanie środowiska Oracle Java SE w wersji 8, które można pobrać ze strony wydawcy. Alternatywnie, użytkownicy systemu Ubuntu lub pokrewnych dystrybucji mogą zainstalować środowisko Java według instrukcji dostępnych na tej stronie.

Sygnały ciągłe i dyskretne

Próbkowanie w czasie

W tym ćwiczeniu zilustrujemy pojęcia:

• częstość próbkowania
• częstość Nyquista
• aliasing

Zadanie 1: Próbkowanie

W poniższym ćwiczeniu chcemy zbadać efekt próbkowania sygnału w czasie.

• W komputerach nie mamy dostępu do sygnału ciągłego.
• Wartości sygnału znane są tylko w dyskretnych momentach czasu.
• Najczęściej stosujemy równe odstępy czasu [math]dt[/math]
• Odwrotność tych okresów to częstość próbkowania [math]Fs = \frac{1}{dt}[/math]
• Bardzo wygodnie jest myśleć o sygnałach jako o wektorach lub macierzach (rys. na tablicy)
• Do przechowywania sygnałów w pamięci używamy ndarray

Czy próbkując sygnał z częstością [math]Fs = 100[/math][Hz] mogę odwzorować sygnał o dowolnej częstości?

• wytwórz wektor t reprezentujący czas 1s próbkowany z częstością Fs

# -*- coding: utf-8 -*-

import pylab as py
import numpy as np
Fs =100
dt = 1/Fs
t = np.arange(0,1,dt) # czas 'prawie ciągły'

• wytwórz sygnał s, sinus o częstości f =10Hz. Dla przypomnienia wyrażenie: [math] s(t) = \sin(2 \pi f t)[/math] możemy w pythonie zapisać:

s = np.sin(2*np.pi*f*t)

• wykreśl ten sygnał za pomocą punktów i linii
• wykreśl sygnały o częstościach 20, 40, 50, 90 Hz

Efekt aliasingu

Rzućmy okiem na przykład tego efektu: https://youtu.be/SFbINinFsxk

• koła obracają się z pewną częstością zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara;
• na filmie widać, że w pewnych kierunek ten się zmienia, mimo, że samochód wciąż jedzie w tą samą stronę;
• możemy przyjąć umownie, że obrotom zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara przypiszemy wartości dodatnie, a obrotom w kierunku przeciwnym wartości ujemne.
• Dlaczego tak się dzieje?

Analogiczne zjawisko przeanalizujemy dla symulowanych sygnałów okresowych. Na nasze potrzeby wygenerujemy sygnały próbkowane z bardzo dużą częstością, które będą dla nas aproksymacją sygnałów ciągłych. Przy ich pomocy zaprezentujemy efekt utożsamiania (aliasingu).

• Proszę wytworzyć wektor reprezentujący czas „prawie” ciągły. Będzie to u nas 1000 wartości z przedziału [0,1) wziętych z odstępem 0,001.
• Teraz proszę wygenerować dwie sinusoidy: jedną o częstości -1 a drugą o częstości 9.
• Proszę wykreślić obie sinusoidy.
• Teraz proszę spróbkować czas i nasze „prawie” ciągłe sinusoidy z okresem próbkowania 0,1. (Trzeba pobrać co 100 element, proszę posłużyć się wycinkami)
• Na tle „prawie” ciągłych sinusoid proszę dorysować punkty ze spróbkowanych sygnałów. Aby punkty były dobrze widoczne proponuję użyć markerów x oraz +.
• Proszę zaobserwować wzajemne położenie punktów.
• Czy można odróżnić sinusoidę o częstości −1 od sinusoidy o częstości 9, jeśli obie są próbkowane z częstością 10?
• Jak można uogólnić tą obserwację?

*

Sygnały testowe

Generowanie sygnałów testowych

Do badania różnych metod analizy sygnałów potrzebne nam będą sygnały o znanych własnościach. W szczególności dobrze jest umnieć nadać sygnałom występującym w postaci cyfrowej, oraz sztucznym sygnałom próbnym pewne własności fizyczne takie jak:

• czętość próbkowania
• czas trwania
• amplituda

Przykład sinus

Sinus o zadanej częstości (w Hz), długości trwania, częstości próbkowania i fazie. Poniższy kod implementuje i testuje funkcję

[math] \sin(f,T,Fs,\phi) = \sin(2*\pi f t)[/math] dla [math]t \in \{0,T\}[/math]

# -*- coding: utf-8 -*-

import pylab as py
import numpy as np

def sin(f = 1, T = 1, Fs = 128, phi =0 ):
	'''sin o zadanej częstości (w Hz), długości, fazie i częstości próbkowania
	Domyślnie wytwarzany jest sygnał reprezentujący 
	1 sekundę sinusa o częstości 1 Hz i zerowej fazie próbkowanego 128 Hz
	'''

	dt = 1.0/Fs
	t = np.arange(0,T,dt)
	s = np.sin(2*np.pi*f*t + phi)
	return (s,t)
	
	
(s,t) = sin(f=10,Fs=1000)
py.plot(t,s)
py.show()

Przykład: eksport sygnału do pliku binarnego

• Przypominamy:
  • dtype http://docs.scipy.org/doc/numpy/reference/arrays.dtypes.html#arrays-dtypes-constructing
  • open/close
  • tofile
  • fromfile

• Poniższy kod ilustruje sposób zapisu dwóch funkcji sinus o częstościach 10 Hz i 21 Hz do pliku binarnego:

# -*- coding: utf-8 -*-

import numpy as np

T = 5
Fs = 128

(s1,t) = sin(f=10, T=T, Fs=Fs)
(s2,t) = sin(f=21, T=T, Fs=Fs)	
	
signal = np.zeros((T*Fs, 2), dtype='<f')
signal[:, 0] = s1
signal[:, 1] = s2

# zapis sygnału binarnego:
f_out = open('test_signal1.bin', 'wb') # otwieramy plik do pisania binarnego: 'wb'
signal.tofile(f_out) # zrzucamy zawartość tablicy ''signal'' do pliku identyfikowanego przez ''f_out''
f_out.close() # zamykamy plik

# czynność odwrotna - wczytanie sygnału binarnego
ch = 2 # liczba kanałów
fin = open('test_signal1.bin', 'rb') # otwieramy plik do czytania binarnego: 'rb'
s = np.fromfile(fin, dtype='<f') # tworzymy tablicę sig o typie określonym przez ''dtype''
                                 # wkładając do niej bity z pliku ''fin'' interpretowane zgodnie z ''dtype''
fin.close() # zamykamy plik
s = np.reshape(s,(len(s)/ch,ch)) # zmieniamy tablicę z jednowymiarowej na dwuwymiarową

Przykład: wczytanie sygnału do Svaroga

W celu wczytania zapisanego binarnie sygnału do programu Svarog, po wybraniu File -> Open signal, należy wprowadzić częstość próbkowania sygnału oraz liczbę kanałów.

Wczytywanie sygnału w programie Svarog.

Zadanie 2: Nieznany typ danych

Posiadamy 3 kanałowy plik binarny z sygnałem EEG. Niestety zapomnieliśmy jaki jest typ zapisanych danych. Proszę wczytać plik i przy pomocy biblioteki matplotlib oraz grafik z fragmentami sygnałów odgadnąć, która z pośród wymienionych zmiennych dtype jest prawdziwa:

• 'float32'
• '>H'
• 'uint64'
• 'float64'

Plik binarny oraz grafiki można pobrać z stąd

Zadanie 3: Nieznana liczba kanałów

Posiadamy n kanałowy plik binarny z sygnałem EKG, EEG i EMG, typ zmiennej to '<f'. Niestety zapomnieliśmy jaka jest liczba kanałów. Proszę wczytać plik i przy pomocy biblioteki matplotlib oraz grafik z fragmentami sygnałów odgadnąć liczbę kanałów. Plik binarny oraz grafiki można pobrać z stąd

Zadanie 4:

Proszę stworzyć nową macierz z n+3 kanałami, zawierającą sygnały z dwóch poprzednich zadań. Następnie proszę zapisać macierz sygnałów do pliku binarnego i otworzyć w programie Svarog.

Delta

Podobnie można zdefiniować funkcję delta o zadanym czasie trwania, częstości próbkowania i momencie wystąpienia impulsu:

[math] \delta(t_0) = \left\{^{1 \quad t=t_0} _{0 \quad t \ne t_0} \right.[/math]

def delta(t0=0.5, T=1  ,Fs = 128):
	dt = 1.0/Fs
	t = np.arange(0,T,dt)
	d = np.zeros(len(t))
	d[np.ceil(t0*Fs)]=1
	return (d,t)

Zadanie 5:

Analogicznie do powyższych przykładów proszę zaimplementować i przetestować funkcje generujące:

• funkcję Gabora (funkcja Gaussa modulowana cosinusem) o zadanej częstości i standardowym odchyleniu w czasie, momencie wystąpienia, długości, częstości próbkowania i fazie.

[math] g = \exp\left(-\frac{1}{2}\left(\frac{t-t_0}{\sigma}\right)^2 \right) \cdot \cos(2 \pi f t + \phi); [/math]

• szum gaussowski o zadanej średniej, odchyleniu standardowym, długości i częstości próbkowania.

Co musimy z tego zapamiętać?

• sygnały dyskretne - dyskretne chwile czasu
• tworzenie sygnałów o konkretnej interpretacji fizycznej (częstość sygnału i częstość próbkowania)
• sygnały w pythonie przechowujemy w tablicach numpy
• zapis sygnałów do pliku i wczytywanie sygnałów z plików binarnych
• wczytywanie sygnałów do SVAROGA

Analiza_sygnałów_-_ćwiczenia/Sygnały