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Beschreibung der Vorlesungen
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- Grundstudium der Ingenieurstudiengänge (Dipl.-Ing.)
- Hauptstudium Elektrotechnik und Informationstechnik (Dipl.-Ing.)
- Masterstudiengang Digital Communications (M.Sc.)
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| | Signale und Systeme |
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| Dozent/in |
Prof.
Dr.-Ing. U. Heute und Mitarbeiter/Innen |
| Zielgruppe |
Studierende der Elektrotechnik und Informatik. |
| Voraussetzungen |
Mathematik für Ingenieure I, II, III, Grundgebiete der Elektrotechnik I,II |
| Inhalt |
Signal- und systemtheoretische Grundlagen der Elektrotechnik und
Informationstechnik. Einschränkung auf kontinuierliche und deterministische Signale und Systeme. Grundklassen
von Signalen und Systemen. Elementarsignale: Sprung, Impuls, harmonische und allgemeine Exponentielle.
Lineare zeitinvariante (LTI) Systeme, lineare Überlagerung. Fourier-Reihe, Fourier-Transformation,
Laplace-Transformation und ihre Eigenschaften; Faltung. Reaktionen von
LTI-Systemen auf elementare und beliebige Signale; gebrochen rationale Übertragungsfunktionen,
Partialbruchzerlegung, Systemdifferentialgleichung; Pol-Nullstellendiagramm, Stabilität; Tiefpaß,
Bandpaß, Minimalphasigkeit; Einschwingvorgänge,
Ausschwingvorgänge. Modulation, lineare Modulation und Demodulation
der Amplitude (AM), nichtlineare Modulation des Winkels (FM, PM),
Frequenzmultiplex, Pulsamplitudenmodulation, Abtasttheorem, Aliasing;
Pulscodemodulation, Quantisierung, Zeitmultiplex. Grundgedanken der Informationstheorie
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| Literatur |
- Schüßler, H.W.: Netzwerke, Signale
und Systeme II: Theorie kontinuierlicher und diskreter Signale und Systeme,
Springer-Verlag, Berlin, 1991, ISBN 3-540-54513-1
- Lüke, H.D.: Signalübertragung, Springer-Verlag,
Berlin, 1995, ISBN 3-540-58753-5
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| | Systemtheorie |
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| Dozent/in |
Prof.
Dr.-Ing. U. Heute und Mitarbeiter/Innen. |
| Zielgruppe |
Studierende der Elektrotechnik und Informatik (Dipl.-Ing.) im 5. Semester, Studierende der Informatik und Materialwissenschaft (ab 5. Semester) |
| Voraussetzungen |
Vordiplom Elektrotechnik oder Informatik (Dipl.-Ing.) bzw. Vorlesung und Übung "Signale und Systeme" |
| Inhalt |
Die Lehrveranstaltung führt das Thema "Signale und Systeme" fort: Signale werden unmittelbar
und in einer Elementarsignalüberlagerung, insbesondere in spektraler Form beschrieben, und Systeme
werden durch ihre Reaktionen auf entsprechende Elementarsignale, damit aber bei gegebener Linearität
auf beliebige Signale gekennzeichnet. In der weitgehend vom physikalischen Hintergrund abstrahierend
en "Systemtheorie" findet gegenüber der vorangegangenen Veranstaltung eine Erweiterung von
kontinuierlichen, determinierten Signalen auch auf diskrete und/oder stochastische statt, ebenso eine
Verallgemeinerung auf kontinuierliche oder diskrete Systeme. Weitgehend wird weiterhin von Linearität,
nicht aber unbedingt von Zeit-(oder Verschiebungs-)Invarianz ausgegangen. Neben die schon bekannte
Eingangs-Ausgangs-Beschreibung tritt die Betrachtung der inneren Systemzustände. Den Abschluß bildet die
Darstellung von Digitalisierungseffekten.
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| Literatur |
- Schüßler, H. W.: Netzwerke, Signale und Systeme II: Theorie kontinuierlicher und diskreter Signale
und Systeme; 3. Aufl. Springer Verlag, Berlin, 1991, ISBN 3-540-54513-1.
- Oppenheim, A. V.; Willsky, A. S.: Signals and Systems; Prentice Hall Inc., New Jersey, USA, 1983
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| | Digitale Signalverarbeitung |
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| Dozent/in |
Prof.
Dr.-Ing. U. Heute und Mitarbeiter/Innen |
| Zielgruppe |
Studierende der Elektrotechnik und Informatik (Dipl.-Ing.) ab 6. Semester, auch geeignet für Dipl.-Inf. und Physiker mit Vorkenntnissen in Signal- und Systemtheorie |
| Voraussetzungen |
Vordiplom, Vorlesung und Übung "Systemtheorie" |
| Inhalt |
Signal-Digitalisierung (Analog/Digital- und Digital/Analog-Umsetzer, Quantisierungskennlinie, Quantisierungsrauschen),
Halteglied; Abtastung von Signalen und Folgen mit und ohne Phasenversatz, Taktreduktion und Takterhöhung
(Dezimation, Spreizung, Interpolation); DFT und FFT (Faltung mittels DFT, schnelle DFT-Berechnung, Radix-2/DIT-FFT
und Alternativen, Transformation reeller Folgen, "Pruning" und "Zoom"), Spektralanalyse
unendlich langer Signale (Fenster-Effekte, Periodogramme von stochastischen Signalen); Digitalfilter
(Differenzen- und Zustandsgleichungen, äquivalente Realisierungen/Ähnlichkeitstransformationen,
Diagonalform, Übergangsmatrix, Beobachtbarkeit und Steuerbarkeit), Realisierungseffekte (Eingangs-, Arithmetik-
und Koeffizientenfehler), Filterarten, Nichtrekursive Filter (Zustandsbeschreibung, Linearphasigkeit).
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| Literatur |
- Oppenheim, A.V.; Schafer, R.W.: Digital Signal Processing; Prentice-Hall International, Inc., London, 1975,
ISBN 0-13-214635-5
- Schüßler, H.W.: Digitale Signalverarbeitung 1: Analyse diskreter Signale und Systeme; 4. Aufl., Springer-Verlag,
Berlin, 1994, ISBN 3-540-57428-X
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| | Ausgewählte Kapitel
der Systemtheorie |
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| Dozent/in |
Prof.
Dr.-Ing. U. Heute und Mitarbeiter/Innen. |
| Zielgruppe |
Studierende der Elektrotechnik und Informatik (8. Semester), auch für Teilnehmer von Veranstaltungen
für Absolventen. |
| Voraussetzungen |
Vordiplom, Vorlesung und Übung "Systemtheorie" und "Digitale Signalverarbeitung" |
| Inhalt |
Wechselnde Themen aus aktuellen Forschungsprojekten, oft Vorträge von Studenten über ihre Studien- und Diplomarbeit, von Doktoranden oder von Gastforschern.
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| | Wavelets und Filterbänke |
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| Dozent/in |
Prof.
Dr.-Ing. U. Heute und Mitarbeiter/Innen. |
| Zielgruppe |
Studierende der Elektrotechnik und Informatik (Dipl.-Ing.) ab 8. Semester, auch geeignet für Technomathematiker, Informatiker und Physiker mit Vorkenntnissen in Signal- und Systemtheorie. |
| Voraussetzungen |
Vordiplom, Vorlesung und Übung "Signale und Systeme", "Systemtheorie" und "Digitale Signalverarbeitung" |
| Inhalt |
In dieser Vorlesung sollen die Grundlagen der Wavelet-Transformation
behandelt werden, die ein sehr junges Teilgebiet der digitalen
Signalverarbeitung darstellt. Sie erlaubt im Gegensatz zur (Kurzzeit-)
Fourier-Transformation eine Repräsentation des Eingangssignals mit
nichtkonstanter Zeit-Frequenz-Auflösung. Während die
zeitkontinuierliche Wavelet-Transformation vorwiegend zur
Signalanalyse verwendet wird, eignet sich die zeitdiskrete
Wavelet-Transformation besonders zur Bildkompression, Mustererkennung
sowie zur Störunterdrückung. Sie kann unter gewissen Randbedingungen
als Spezialfall einer digitalen Filterbank betrachtet werden, wobei
solche Systeme einen weiteren Schwerpunkt dieser Vorlesung
darstellen. Abschließend werden Anwendungsbeispiele für
Wavelet-Filterbänke im Bereich der Signalanalyse von Audiosignalen
und der Bild-/Videocodierung vorgestellt.
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| Literatur |
- P.P. Vaidyanathan: Multirate Systems and
Filter Banks; Prentice Hall, Englewood Cliffs, 1993
- G. Strang, T. Nguyen: Wavelets and Filter
Banks; Wellesley Cambridge Press, 1997
- A. Mertins: Signal Analysis; Wiley,
Chichester, 1999
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| | Digital Speech-Signal Processing |
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| Dozent/in |
Prof.
Dr.-Ing. U. Heute und Mitarbeiter/Innen. |
| Zielgruppe |
Studierende der Elektrotechnik und Informatik (Dipl.-Ing.) ab dem 7. Semester, auch geeignet für Dipl.-Inf. und PhysikerInnen mit Vorkenntnissen in Signal- und Systemtheorie. |
| Voraussetzungen |
Vordiplom, Vorlesung und Übung "Signale und Systeme" und
"Systemtheorie" |
| Inhalt |
Spektrale und statistische Spracheigenschaften; Grundlagen der
Physiologie. Signalform-Codierung: Lineare PCM; Verbesserung durch
Nichtlinearität, adaptive Quantisierung, Optimalquantisierung,
Vektorquantisierung. Lineare Prädiktion und linear prädiktive
Codierung im Zeitbereich; Analyse-durch-Synthese;
Restsignalquantisierung durch MPE, RPE; CELP-Verfahren,
"Gain-Shape"-Vektorquantisierung, VSELP, ACELP. Codierung im
Frequenzbereich. VOCODER-Verfahren. Anwendung der Sprachcodierung in
Mobilfunknetzen; "Bad-Frame-Handling" zur Erhöhung der Qualität
bei Übertragungsfehlern. Sprachsignalverbesserung durch
Geräuschreduktion und Echounterdrückung.
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| Literatur |
- Rabiner, L. R.; Schafer, R. W.: Digital
Processing of Speech Signals; Prentice-Hall, 1978
- Kondoz, A. M.: Digital Speech-Coding for
Low Bit Rate Communications Systems; John Wiley & Sons, 1994
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| | Advanced Digital Signal Processing |
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| Dozent/in |
Dr.-Ing. S. Badri-Höher und Mitarbeiter/Innen. |
| Zielgruppe |
Studenten des Studiengangs "Digital Communications (Master
of Science)" |
| Voraussetzungen |
k.A. |
| Inhalt |
1. Einleitung 2. Digitale Verarbeitung von zeitkontinuierlichen
Signalen
Wiederholung: Abtastung und Abtasttheorem
Quantizierung
AD- und DA-Wandlung
3. DFT und FFT
Leakage-EffeKt
Fensterung
FFT-Struktur
4. Digitale Filter
FIR Filter: Struktur, linearphasige Filter, "least-squares"
Entwurf im Frequenzbereich, Chebyshev Approximation
IIR Filter: Struktur, klassischer analoger Tiefpassfilter
Approximation, Konversion zu digitalen Übertragungsfunktionen
Effekte bei endlichen Wortlängen
5. Multirate digitale Signalverarbeitung
Dezimation und Interpolation
Filter in Systemen mit Abtastratenänderung
Polyphasenzerlegung und effiziente Strukturen
Digitale Filterbänke
6. Spektralschätzung
Periodogramm, Bartlett's Methode, Welch's Methode, Blackman-Tukey
Methode
ARMA-Modellierung, Yule-Walker-Gleichungen und Lösungen
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| Literatur |
- J.G. Proakis, D.G. Manolakis: Digital Signal Processing:
Principles, Algorithms, and Applications, Prentice Hall,
1996, 3rd edition
- S.K. Mitra: Digital Signal Processing: A Computer-Based
Approach, McGraw Hill Higher Education, 2000, 2nd edition
- A.V. Oppenheim, R.W. Schafer: Discrete-time signal
processing, Prentice Hall, 1999, 2nd edition
- Für Kapitel 6: M.H. Hayes Statistical Signal Processing
and Modeling, John Wiley and Sons, 1996
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| | Advanced Signals and Systems |
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| Dozent/in |
Prof.
Dr.-Ing. U. Heute und Mitarbeiter/Innen. |
| Zielgruppe |
Studierende des Studiengangs "(Digital) Communications (Master
of Science)". |
| Voraussetzungen |
k.A. |
| Inhalt |
1. Diskrete Signale
Definitionen, deterministische und stochastische Signale.
1.1. Stochastische Signale
Wahrscheinlichkeit; Erwartungswert, Momente.
1.2. Beispiele
determinierte Signale, stochastische Signale.
1.3. Einfache Operationen auf stochastische Signale
Summation, Mapping.
2. Spektren
Idee der Überlagerungsdarstellung; Überlagerung von Impuls
und Sprungfolgen; Spektren von determinierten und stochastischen
Signalen.
2.1. FOURIER, z-, und Diskrete FOURIER Transformation
Definitionen, Existenz, Periodizität, Hintergrund; Characteristica,
Sätze, Theoreme; Beispiele; rechtsseitige z-Transformation,
inverse z-Transformation und Konvergenz, rationale z-Transformierte.
3. Spektren von stochastischen Signalen
Definitionen, Beziehung zu Spektren von kontinuierlichen Zufallssignalen,
Beispiel; Prozesse und Signale; Stationarität und Ergodizität,
kurzzeit PDS, Periodogramm.
4. Diskrete Systeme
Systembeschreibung und -klassifikation
4.1. Diskrete lineare Systeme und ihre Antworten auf determinierteSignale
Reaktion auf elementare Signale; Reaktion auf allgemeine determinierte
Signale (Impuls- und Sprungantwort, Übertragungsfunktion und
Frequenzgang).
4.2. Diskrete Lineare Systeme und ihre Antwort auf stochastische
Signale
5. Idealisierte diskrete LTI Systeme
Hintergrund; ideale Übertragungssysteme; Dämpfungsverzerungen;
Phasenverzerrungen.
6. HILBERT Transformation
Rechtsseitige Spektren, Analytisches Signal, momentane Amplitude,
Phase und Frequenz; rechtsseitiges Signal, Kausalität.
7. Zustandsbeschreibung
Definitionen, Grundstruktur, Signalflussgraphen; Übertraguns-,
Impulsantwort und Übergangsmatrizen; Stabilität; Minimalphasen-
und Allpasskonfiguration.
7.1. Von der Eingangs-/Ausgangsbeschreibung zur Zustandsbeschreibung
Differenzengleichung; direkte and kanonische Realisierungen.
7.2. Vom SFG zur Zustandsbeschreibung
1., 2. und 4. kanonische Formen.
8. Generalisierung für Signale, Systeme und spektrale
Transformationen
Generalisierte Diskrete Fourier und Cosinus Transformationen
(GDFT, GDCT, DCT); generalisierte Basisfolgen; Kurzzeitspektren;
2-D Signale und ihre Spektren; 2-D Systeme.
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