Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben

Document Sample
Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben Powered By Docstoc
					        Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben
                                                       Dithering


                                                       Makra Péter

                                               SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék


                                                          ˝
                                               2009-2010. oszi félév




                               Változat: 0.0 | Legutóbbi frissítés: 2009. november 4.




Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)   Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                          2009-2010. oszi félév   1 / 16
Tartalom


1 Bevezetés


2 Etimológia


3 Dithering a digitalizálásban


4 Dithering a harmonikus torzítás csökkentésére


5 Dithering a számítástechnikában




 Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)   Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                           2009-2010. oszi félév   2 / 16
                                                       Bevezetés



Zajok jótékony szerepben

  •    zajok információforrásként
            •    vízforralás
            •    motordiagnosztika: motorhang
            •    neutronfluxus-ingadozások mérése atomreaktorokban
            •    integrált áramkörök roncsolásmentes megbízhatósági tesztje
            •    szívritmus- és vérnyomásfluktuációk



  •    Lehet-e haszna a zaj növelésének? →

  •    zajok konstruktív szerepben
            •      technikai alkalmazások – dithering
            • sztochasztikus rezonancia




Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)   Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                          2009-2010. oszi félév   3 / 16
                                                      Etimológia



‘How to be a Hamlet’
    ‘Becoming a Hamlet is very easy indeed, but before we enrol you as a Prince
of Denmark and allow you to enter the FREE “Spot the Hamlet” competition, you
will need to follow the simple questions below in order to test your suitability for
induction into the thrusting world of high quality dithering.

   It’s very simple to do. Just read the questions below and decide which action
you would take. At the end simply add up your score and compare it to the
reports written by our especially trained Hamletologians.
1: You think your father is murdered, your Uncle did it and he has married
your mother six weeks after your father’s funeral. Do you:
  A    Run your uncle through with a sabre at the first opportunity?
  B    Seek legal advice on the correct procedure to bring about a warrant for his
       arrest?
  C    Do nothing except glower and talk a lot?’

http://www.jasperfforde.com/hamlet.html



Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)   Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                          2009-2010. oszi félév   4 / 16
                                                      Etimológia



Dithering



  • jelentése: „remegés, reszketés; habozás”
  • II. világháború bombázógépein mechanikus számítógépek
  • a leveg˝ben pontosabban számoltak, mint a földön → ????
           o
  • a rázkódás folyamatosabbá tette az üzemüket, csökkentette az elakadás
               u
       valószín˝ ségét
  • ⇒ a földi számítógépekbe is rázógépeket építettek
  • azóta így neveznek minden technikai eljárást, ahol a zaj hozzáadása a
       folyamatot optimalizálja




Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)   Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                          2009-2010. oszi félév   5 / 16
                                                       Etimológia



Eredet: a mechanikus számítógép




A Norden célzókészülék – egy mechanikus számítógép, amelyet a II. világháborútól a vietnami
háborúig használtak amerikai bombázógépeken


 Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)   Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                           2009-2010. oszi félév   6 / 16
                                               Dithering a digitalizálásban



Dithering a digitalizálásban



  • tegyük föl, hogy analóg-digitális átalakításkor a kvantumnagyság közelébe
         o
       es˝ állandó értéket mérünk
  • ilyenkor a relatív hiba nagy; a jel egy digitalizálási kvantumon belüli
       változásait nem tudjuk mérni
  • megoldás: keverjünk zajt a jelhez
  • ilyenkor a szomszédos kvantumokba is eshet a zajjal kevert jel; a digitalizált
       értékek átlaga a valódi értékhez közelít
                                                                 o
  • zaj hozzáadásával a kvantumnagyságnál finomabb fölbontás érhet˝ el




Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)           Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                                  2009-2010. oszi félév   7 / 16
                                                  Dithering a digitalizálásban



Dithering a digitalizálásban
                                        A zajjal digitalizált
                                        értékek átlaga                                Mérendõ
                                                                                      érték
                      Gyakoriság




                                                                                                     Mérendõ
                                                                                                     érték + zaj




                                   -1         0              1                   2             3      4

                                                                                         A digitalizálás hibája
                                                                                         dithering nélkül

Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)              Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben                      ˝
                                                                                                             2009-2010. oszi félév   8 / 16
                               Dithering a harmonikus torzítás csökkentésére



Dithering a harmonikus torzítás csökkentésére



  • az analóg-digitális átalakító amplitúdókvantumai nem pontosan egyformák
  • harmonikus jelek: a hibás kvantum mindig a jel azonos fázisára esik ⇒
       fölharmonikusok megjelenése (harmonikus torzítás)
  • megoldás: keverjünk zajt a jelhez
  • ekkor a jel adott szakasza nem mindig a hibás kvantumba esik, hanem
       véletlenszer˝ en más kvantumokba is ⇒ a fölharmonikusok elnyomása
                   u
  • zaj hozzáadásával az analóg-digitális átalakítók linearitása javítható




Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)             Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                                    2009-2010. oszi félév   9 / 16
                                Dithering a harmonikus torzítás csökkentésére



Dithering a harmonikus torzítás csökkentésére

       60

       50
                                                          a                                   60

                                                                                              40
                                                                                                                                    b
       40                                                                                     20




                                                                                  Z(sin(t))
Z(x)




       30                                                                                      0


       20                                                                                     -20


       10                                                                                     -40


        0                                                                                     -60
         0,0       0,2          0,4         0,6          0,8         1,0                        0,000   0,005   0,010       0,015           0,020
                                       x                                                                        t (s)

                 ıt´
A harmonikus torz´ as
       • az amplitúdókvantumok hibája: a folytonos x mennyiség más-más értékeinél
         (különösen a 0,7 érték körül) más-más azon tartomány szélessége, amelyen belül
         minden x értéknek ugyanaz a Z egész szám felel meg
       • ennek torzító hatása egy szinuszjel digitalizálása során


 Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)             Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben                             ˝
                                                                                                                    2009-2010. oszi félév    10 / 16
                                              Dithering a harmonikus torzítás csökkentésére



Dithering a harmonikus torzítás csökkentésére


              10
              10
                   6

                   5                                     a                       10
                                                                                 10
                                                                                      6

                                                                                      5                                     b                       10
                                                                                                                                                    10
                                                                                                                                                         6

                                                                                                                                                         5                                c
              104                                                                104                                                                104
                   3                                                                  3                                                                  3
              10                                                                 10                                                                 10
S(f) [1/Hz]




                                                                   S(f) [1/Hz]




                                                                                                                                      S(f) [1/Hz]
              102                                                                102                                                                102
                   1                                                                  1                                                                  1
              10                                                                 10                                                                 10
                   0                                                                  0                                                                  0
              10                                                                 10                                                                 10
              10-1                                                               10-1                                                               10-1
              10-2                                                               10-2                                                               10-2
              10-3                                                               10-3                                                               10-3
                -4                                                                 -4                                                                 -4
              10                                                                 10                                                                 10
                       0     100   200      300    400     500                            0   100     200      300    400       500                          0   100    200      300    400    500
                                         f (Hz)                                                             f (Hz)                                                            f (Hz)


                    a                    ıt´    o     e e
A dithering alkalmaz´sa a harmonikus torz´ as cs¨kkent´s´re
               a           a hibásan digitalizált szinuszjel spektruma
               b                                        u
                           a spektrum 49 Hz sávszélesség˝ , 2 egység szórású sávhatárolt zaj hozzáadása esetén
               c                                        u
                           a spektrum 49 Hz sávszélesség˝ , 8 egység szórású sávhatárolt zaj hozzáadása esetén




      Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)                                    Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben                                                    ˝
                                                                                                                                                                       2009-2010. oszi félév   11 / 16
                               Dithering a harmonikus torzítás csökkentésére



AD6644 analóg-digitális átalakító




Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)             Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                                    2009-2010. oszi félév   12 / 16
                                               Dithering a számítástechnikában



Dithering a betűsimításban




Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)                Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                                       2009-2010. oszi félév   13 / 16
                                               Dithering a számítástechnikában



Dithering a képföldolgozásban
                              SIMONOTTO                &al, Physical Review Letters 78 (1997)




Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)                Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                                       2009-2010. oszi félév   14 / 16
                                               Dithering a számítástechnikában



Dithering a képföldolgozásban




Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)                Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                                       2009-2010. oszi félév   15 / 16
                                               Dithering a számítástechnikában



Dithering a képföldolgozásban




Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)                Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                                       2009-2010. oszi félév   15 / 16
                                               Dithering a számítástechnikában



Dithering a képföldolgozásban




Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)                Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                                       2009-2010. oszi félév   15 / 16
                                               Dithering a számítástechnikában



Dithering a képföldolgozásban




Makra Péter (SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék)                Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben              ˝
                                                                                                       2009-2010. oszi félév   16 / 16

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Categories:
Stats:
views:8
posted:4/30/2010
language:Hungarian
pages:18