Đang tải... (xem toàn văn)
BÀI GIẢNG MÔN HỌC XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ Xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processing: DSP) là môn học đề cập đến các phép xử lý các dãy số để có được các thông tin cần thiết như phân tích, tổng hợp mã hoá, biến đổi tín hiệu sang dạng mới phù hợp với hệ thống. Các phép xử lý tín hiệu số cơ bản bao gồm: Phép chập Tương quan Lọc số Các phép biến đổi rời rạc Điều chế
BÀI GIẢNG MƠN HỌC XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ Giáo viên giảng dạy : Nguyễn Thanh Ngọc Bộ môn : Điện tử máy tính Khoa : Điện tử - Viễn thông Điện thoại DĐ : 0969931809 Email : thanhngoc8818@gmail.com MỞ ĐẦU Xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processing: DSP) môn học đề cập đến phép xử lý dãy số để có thơngCác tin cầnphép thiếtxử lý tín hiệu số bao gồm: Phép chập phân tích, tổng hợp mã hố, biến đổi tín hiệu sang dạng phù hợp với hệ thống Tương quan Lọc số Các phép biến đổi rời rạc Điều chế Ưu điểm xử lý tín hiệu số: Độ xác cao Sao chép trung thực, tin cậy Tính bền vững Linh hoạt mềm dẻo Thời gian thiết kế nhanh Các chip DSP ngày hoàn thiện có độ tích hợp cao CƠNG NGHỆ DSP Bộ xử lý tín hiệu số thiết bị đặc thù thiết kế cho lĩnh vực thực thi phép tính tốn học để thao tác liệu số, liệu truyền từ sensor Mục tiêu chuyên biệt để trình xử lý liệu diễn nhanh có thể, từ đưa Cấu trúc DSP gồm phần: chuỗi kết đáp ứng tính thời gian thực + Bộ nhớ + CPU +Tập lệnh + Các Bus Đặc Tính Của DSP: Xử lý tốt phép tính tốn học, thực hàng triệu lệnh nhân cộng thời gian ngắn Đáp ứng vấn đề thời gian thực: quy định cụ thể thời gian thực VXL phải nằm khung thời cho trước Khung thời gian thường gắn với chu kì trích mẫu phải nhỏ lần tần số tín hiệu mà VXL theo tác Nếu khung thời gian bị phá vỡ hệ không đáp ứng thời gian thực Kiến Trúc DSP thiết kế thỏa mãn đặc tính Kiến trúc nhớ cho phép đa truy cập chu kỳ lệnh: Kiến trúc Harvard nâng cao cho phép truy cập nhớ liệu, nhớ chương trình trình thời điểm Trang bị nhiều bus liệu cho phép đọc (hoặc nhiều hơn) tốn hạng chu kì lệnh Bus đọc Bus ghi độc lập cho phép trình đọc liệu ghi kết diễn song song Hỗ trợ kiến trúc đường ống (pipeline) cho phép thực toàn lệnh chu kỳ Industrial: oil and mineral prospecting, Process monitorinh and control, Nondestructive testing, CAD and design tools Scientific: Earthquake recording & analysis, data acquisition, spectral analysis, simulation and modeling Commercial: image and sound compression for multimedia presentation, movie special effects, video conference calling Ứng dụng DSP Space: Photograph Military: Radar, enhancement, data sonar, ordnance compression… guidance, secure Telephone: Voice and data Medical: Diagnostic compression, echo imaging, CT, MRI, reduction, signal multiplexing, filtering Ultralsound… communication MỞ ĐẦU Hình vẽ sau mơ tả q trình xử lý tín hiệu điển hình ta phân biệt khái niệm “Xử lý tín hiệu số” “Xử lý số tín hiệu”: Bộ xử lý số DSP A/D Tín hiệu tương tự Tín hiệu số D/A Tín hiệu tương tự Tín hiệu số Xử lý tín hiệu số Xử lý số tín hiệu CHƯƠNG 1: TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG VỚI THỜI GIAN RỜI RẠC NỘI DUNG: Những khái niệm chung tín hiệu hệ thống xử lý tín hiệu Các tín hiệu với thời gian rời rạc Các hệ thống với thời gian rời rạc Các hệ thống tuyến tính bất biến với thời gian rời rạc Các hệ thống với thời gian rời rạc mơ tả phương trình sai phân tuyến tính hệ số 1.1 Khái niệm tín hiệu, hệ thống xử lý tín hiệu: 1.1.1 Khái niệm tín hiệu: a Khái niệm: Về mặt vật lý: tín hiệu dạng biểu diễn vật lý thơng tin Ví dụ: - Các tín hiệu ta nghe thấy âm phát gây nên nén dãn áp suất khơng khí đưa đến tai - Ánh sáng ta nhìn sóng ánh sáng truyền tải thơng tin màu sắc, hình khối đến mắt Về mặt tốn học: tín hiệu biểu diễn hàm nhiều biến số độc lập Ví dụ: - Tín hiệu âm x(t) hàm biến độc lập x hàm, t biến - Tín hiệu ảnh x(i,j) hàm nhiều biến độc lập • Lưu đồ thuật tốn FFT_R2 : - Hệ số truyền: W20 W40 W80 W W e W e 8 j 2 cos j sin j 2 j 2 cos j sin (1 j ) 4 j 2 3 cos W83 e 3 j sin (1 j ) Lưu đồ: x(0) X(0) x(4) X(1) -1 x(2) X(2) -1 X(3) x(6) -1 -j -1 X(4) x(1) -1 x(5) X(5) W (1 j ) -1 x(3) -1 x(7) -1 -j -1 W82 j W (1 j ) -1 X(6) -1 X(7) -1 Xác định giá trị X(k) theo thuật toán FFT_R2 dãy x(n) sau: x(n) = {1,0,-1,2,-2,1,3,1} x(0)=1 -1 -1 x(4)= -2 3 3+4j 3+4j -3 -3 -1 x(2)=-1 -1 4j -4 x(6)=3 -1 x(1)=0 x(5)=1 -1 -1 x(3)=2 -j x(7)=1 -1 -1 -1-j -j -j X(2)=-3+2j 3-4j 3-4j -2 -1 X(1)=(3+4j)+(-1-j)W81 X(3)=(3-4j)+(-1+j)W83 -1 3 X(0)=5 -1+j -1 (-1-j)W81 W 2j W j (-1+j)W83 W83 X(4)=-3 -1 X(5)=(3+4j) - (-1-j)W81 -1 X(6)=-3-2j -1 X(7)=(3-4j) - (-1+j)W83 -1 Câu 1: Một hệ LTI có hàm truyền đạt sau: H(z) = + z-1 + z-2 – 3z-3 + z-5 – 2z-7 ; z ≠ a Xác định b Sử dụng lưu đồ FFT_R2 phân chia theo thời gian số xác định hệ số H(k) Xác định giá trị H(k) theo thuật toán FFT_R2 dãy h(n) sau: h(n) = {1,1,1,-3,0,1,0,-2} 2 2 2+3j h(0)=2 h(4)= -1 h(2)=-1 2+3j h(6)=2 -1 h(1)=1 h(5)=-1 -1 6 -1 -j 6 ( -2W81 -2 -1 H(3)=(1+j)-jW83 -1 -2 -2 h(3)=3 h(7)=3 -j H(2)=-7j 2-3j 2-3j 3j H(1)=(1-j)+jW81 -1 -3 H(0)=-1 W -1 -1 -2W83 W H(5)=(1-j) - jW81 H(6)=7j W82 j -2 -1 -6j H(4)=5 -1 -1 H(7)=(1+j) +jW83 Xác định giá trị H(k) theo thuật toán FFT_R2 dãy h(n) sau: h(n) = {2,1,-1,3,0,-1,2,3} 2 2 2+3j h(0)=2 h(4)= -1 h(2)=-1 2+3j h(6)=2 -1 h(1)=1 h(5)=-1 -1 6 -1 -j 6 ( -2W81 -2 -1 H(3)=(1+j)-jW83 -1 -2 -2 h(3)=3 h(7)=3 -j H(2)=-7j 2-3j 2-3j 3j H(1)=(1-j)+jW81 -1 -3 H(0)=-1 W -1 -1 -2W83 W H(5)=(1-j) - jW81 H(6)=7j W82 j -2 -1 -6j H(4)=5 -1 -1 H(7)=(1+j) +jW83 Biến đổi Fourier nhanh phân chia theo tần số: Thuật tốn tính nhanh biến đổi Fourier rời rạc dựa sở phân chia dãy X(k)_ N điểm thành dãy có chiều dài ngắn gọi thuật toán biến đổi Fourier nhanh phân tần số Xét thuật toán với trường hợp N = 2m • Giả sử dãy dãy x(n) có chiều dài N = 2m Thực chia đơi dãy x(n) thành dãy x1(n) x2(n) sau: N n 0,1, 2, 1 x1 (n) x(n) với N x2 (n) x(n ) với N n 0,1, 2, 1 Theo định nghĩa biến đổi DFT ta xác định giá trị X(k) _N điểm: N 1 X (k ) x(n).W n 0 N 1 x(n).W n 0 kn N N 1 kn N x(n).W n 0 kn N N N 1 k N n 0 N kn x(n ).WN W N 1 N kn ( 1) x( n ).WN n 0 Nếu k chẵn (-1)k = Nếu k lẻ (-1)k = -1 k Chia nhỏ X(k) _ N điểm thành dãy chẵn lẻ theo k ta nhận N 1 X (2k ) x(n).W n 0 N 1 2 kn N x(n).W n 0 kn N /2 N 1 N ( 1) x( n ).WN2 kn n 0 2k N 1 N x(n ).WNkn/ 2 n 0 N 1 N [ x(n) x(n )].WNkn/ 2 n 0 Với k 0,1, 2, ( N 1) N 1 X (2k 1) x(n).W (2 k 1) n N n 0 N 1 x(n).W W n 0 n N kn N /2 N 1 N (1) x(n ).WN(2 k 1) n n 0 2k N 1 N n kn x(n )WN WN /2 n 0 N 1 N [ x(n) x(n )]WNn WNkn/2 n 0 Với N k 0,1, 2, ( 1) N Đặt : g (n) x(n) x(n ) Với N n h(n) [ x(n) x(n ].WN Với N n 0,1, 2, ( 1) N n 0,1, 2, ( 1) Khi biểu thức X(2k) X(2k+1) viết lại sau: X (2k ) N 1 kn g ( n ) W N /2 Với N k 0,1, 2, ( 1) Với N k 0,1, 2, ( 1) n 0 N 1 X (2k 1) h(n).W n 0 kn N /2 Việc tính tốn dãy g(n) h(n) theo cơng thức trên, sau sử dụng dãy để tính DFT N/2 điểm mơ tả hình sau: x(0) g(0) x(1) g(1) x(2) g(2) x(3) g(3) x(4) x(5) x(6) x(7) X(0) DFT N/2 điểm -1 -1 -1 h(1) X(4) X(6) h(0) -1 X(2) X(1) W80 W81 h(2) W82 h(3) W83 DFT N/2 điểm X(3) X(5) X(7) Chúng ta thấy rằng, việc tính tốn minh họa có liên quan đến việc thực đồ thị cánh bướm trình bày hình vẽ sau: A a b B ( a b )W Nr Thuật toán FFT phân chia theo tần số điểm minh họa sau: x(0) X (0) x(1) X (4) 1 W80 x(2) 1 x(3) 1 x(4) 1 1 x(7) 1 1 1 W W 1 W W81 W W X (6) X (1) x(5) x(6) X (2) X (3) 1 1 X (5) 1 W X (7) Xác định giá trị X(k) dãy x(n) sau theo thuật toán FFT phân thia theo tần số x(n) 2,3, 4,1,5, 2, 4,3 x(0) x(2) x(4) x(5) x(7) 1 1 15 9 1 x(3) 15 5 x(1) x(6) 3 3 1 W W81 1 W 0 W82 2 2.W83 W 1 1 1 3 1 W W 3 3 W 2W 1 X (2) 1 W 8 1 W X (5) X (3) W W8 (W81 2W83 ) W X (6) X (1) 2 X (4) W W81 - 2W83 3 1 W82 W81 - 2W83 1 X (0) 1 W X (7) ... q trình xử lý tín hiệu điển hình ta phân biệt khái niệm ? ?Xử lý tín hiệu số? ?? ? ?Xử lý số tín hiệu? ??: Bộ xử lý số DSP A/D Tín hiệu tương tự Tín hiệu số D/A Tín hiệu tương tự Tín hiệu số Xử lý tín hiệu. .. hiệu rời rạc tín hiệu gọi tín hiệu rời rạc Tín hiệu lấy mẫu: Nếu biên độ tín hiệu rời rạc liên tục khơng bị lượng tử hố tín hiệu gọi tín hiệu lấy mẫu Tín hiệu số: Nếu biên độ tín hiệu rời rạc... tục tín hiệu gọi tín hiệu tương tự Tín hiệu lượng tử hố: Nếu biên độ tín hiệu liên tục rời rạc tín hiệu gọi tín hiệu lượng tử hố Tín hiệu rời rạc: Nếu biến độc lập biểu diễn toán học tín hiệu