Đang tải... (xem toàn văn)
Cuộc cách mạng khoa học và công nghệ đang diễn ra một cách sôi động chưa từng thấy như hiện nay trên toàn thế giới thúc đẩy loài người nhanh chóng bước sang một kỷnguyên mới. Đó là kỷ nguyên của nền văn minh dựa trên cơ sở công nghiệp trí tuệ. Mở đầu cho cuộc cách mạng khoa học và công nghệ lần này có thể được đánh dấu bằng sự ra đời và phát triển ồ ạt của máy tính cũng như các phương tiện xử lý thông tin khác, đặc biệt là các hệ thống xử lý song song với tốc độ ngày càng cao. Cùng với sự phát triển nhanh chóng các công cụ xử lý tín hiệu số cũng như các nhu cầu ứng dụng các công cụ này vào mọi lĩnh vực hoạt động của xã hội loài người đòi hỏi sự phát triển đồng bộ các phương pháp xử lý tín hiệu hiện đại. Đặc biệt phương pháp xử lý số này phải áp dụng có hiệu quả trong các lĩnh vực thông tin liên lạc, phát thanh truyền hình, tự động điều khiển và các ngành công nghệ khác.Để giúp tìm hiểu một cách cơ bản vấn đề này, chúng tôi xin trân trọng giới thiệu cùng bạn đọc cuốn sách “Xử lý tín hiệu và lọc số” của PGS.TS. Nguyễn Quốc Trung. Cuốn sách đã được trình bày một cách hệ thống từ những kiến thức cơ bản về tín hiệu và các phương pháp tổng hợp phân tích các hệ thống rời rạc đến những phương pháp xử lý số tín hiệu dựa trên các công cụ toán học và vật lý hiện đại. Đặc biệt cuốn sách dành phần lớn cho việc phân tích và tổng hợp các bộ lọc số làm cơ sở cho việc ứng dụng trong các ngành công nghệ khác nhau.Chúng tôi hy vọng rằng cuốn sách “Xử lý tín hiệu và lọc số” không những giúp íchtốt cho sinh viên các ngành công nghệ mà cũng là tài liệu tham khảo tốt cho NCS cũng như các chuyên gia đang hoạt động trong các lĩnh vực có liên quan
PGS TS NGUYỄN QUỐC TRUNG XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ LỌC SỐ TẬP (CHƯƠNG TRÌNH NÂNG CAO) NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC KỸ THUẬT HÀ NỘI LỜI GIỚI THIỆU Cuộc cách mạng khoa học công nghệ diễn cách sôi động chưa thấy toàn giới thúc đẩy loài người nhanh chóng bước sang kỷ nguyên Đó kỷ nguyên văn minh dựa sở cơng nghiệp trí tuệ Mở đầu cho cách mạng khoa học cơng nghệ lần đánh dấu đời phát triển ạt máy tính phương tiện xử lý thông tin khác, đặc biệt hệ thống xử lý song song với tốc độ ngày cao Cùng với phát triển nhanh chóng cơng cụ xử lý tín hiệu số nhu cầu ứng dụng công cụ vào lĩnh vực hoạt động xã hội lồi người địi hỏi phát triển đồng phương pháp xử lý tín hiệu đại Đặc biệt phương pháp xử lý số phải áp dụng có hiệu lĩnh vực thơng tin liên lạc, phát truyền hình, tự động điều khiển ngành công nghệ khác Để giúp tìm hiểu cách vấn đề này, xin trân trọng giới thiệu bạn đọc sách “Xử lý tín hiệu lọc số” PGS.TS Nguyễn Quốc Trung Cuốn sách trình bày cách hệ thống từ kiến thức tín hiệu phương pháp tổng hợp phân tích hệ thống rời rạc đến phương pháp xử lý số tín hiệu dựa cơng cụ toán học vật lý đại Đặc biệt sách dành phần lớn cho việc phân tích tổng hợp lọc số làm sở cho việc ứng dụng ngành công nghệ khác Chúng tơi hy vọng sách “Xử lý tín hiệu lọc số” khơng giúp ích tốt cho sinh viên ngành công nghệ mà tài liệu tham khảo tốt cho NCS chuyên gia hoạt động lĩnh vực có liên quan GS TS Nguyễn Xuân Quỳnh Viện trưởng Viện Điện tử - Tin học Tự động hóa LỜI NĨI ĐẦU Ngay sau xuất “Vi điện tử số” tập 1, “Trung tâm nghiên cứu phát triển Điện tử - Tin học - Viễn thông” - hợp tác trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tổng công ty Điện tử - Tin học Việt Nam nhận lời mời xây dựng chương trình đại hóa giáo trình giáo cụ ngành Điện tử - Tin học - Viễn thông Trung tâm Đào tạo Bưu Viễn thơng I thuộc Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng khoa Thơng tin Tin học trường Đại học dân lập Đông Đô Chúng tổ chức Hội thảo khoa học chương trình số hóa kỹ thuật Điện tử - Viễn thơng, trước hết lĩnh vực giảng dạy trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông khoa Thông tin Tin học trường Đại học dân lập Đông Đô Trong buổi hội thảo nhận nhiều ý kiến quý báu giảng viên nhà khoa học giàu kinh nghiệm Hội thảo khẳng định việc đại hóa lĩnh vực giảng dạy cần thiết cấp bách Ba sách: “Vi điện tử số” “Xử lý tín hiệu lọc số” tập tập nằm sách “Xử lý thông tin” nhằm mục đích Chúng ta biết việc số hóa thiết bị Điện tử - Viễn thông thực mạnh mẽ tồn giới Việt Nam Chính mà xử lý tín hiệu lọc số trở thành ngành khoa học kỹ thuật Sự phát triển nhanh chóng khởi đầu từ đời mạch vị điện tử cỡ lớn VLSI (Very - Large – Scale Integration) tảng cho phát triển đến chóng mặt phần cứng số (Digital hardware) chuyên dụng máy tính số (Digital Computer) với giá thành rẻ hơn, kích thước nhỏ hơn, tốc độ cao Để tiếp cận với ngành khoa học đại cần phải trang bị kiến thức thiếu xử lý tín hiệu lọc số Giáo trình (XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ LỌC SỐ) dùng để giảng dạy nhiều năm cho học sinh khóa, cao học, nghiên cứu sinh trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Viễn thông ORAN (Institut des Telecommunication d'ORAN), Đại học Tổng hợp thành phố Hồ Chí Minh, Đại học Bách khoa Đà Nẵng, Trung tâm đào tạo Bưu Viễn thơng I II, Viện Khoa học kỹ thuật Bưu điện thuộc Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, Cục tác chiến Điện tử Bộ Quốc phòng, Đại học dân lập Đông Đô, Đại học dân lập Phương Đông Cuốn sách (XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ LỌC SỐ) chia thành tập Tập 1: đề cập vấn đề xử lý tín hiệu bao gồm biểu diễn tín hiệu hệ thống rời rạc miền biến số n, miền z, miền tần số liên tục 2, miền tần số rời rạc ( = 2f) miền tần số rời rạc k (hoặc miền k) Tập 2: gồm vấn đề tổng hợp thiết kế loại lọc số đáp ứng xung chiều sử hữu hạn (FIR) đáp ứng xung chiều dài vô hạn (IIR) Tập 3: bao gồm kiến thức cấu trúc độ nhạy hệ thống số, biểu diễn hệ thống rời rạc không gian trạng thái lọc số nhiều nhịp, biến đổi Fourier nhanh cuối biến đổi Hilbert hệ thống pha tối thiểu Tập 4: gồm vấn đề biểu diễn tín hiệu hệ thống miền sóng (Wavelet), hiệu ứng lượng tử hóa xử lý tín hiệu lọc số, phương pháp đánh giá phố, lọc số thích nghi, tiên đốn tuyến tính cuối xử lý đồng cấu Địa liên hệ: Cơ quan: PGS TS Nguyễn Quốc Trung, Khoa Điện tử Viễn thông Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại Cồ Việt, Hà Nội Tel: 04 8692242, 04 8694957, 04 6623166, 04 6623266 Nhà riêng: Nhà A2 - 109B Trung Tự, Đống Đa, Hà Nội Tel: 04 38528934; Dđ: 0976899173 E-mail: nqtrung@fpt.vn Tác giả xin chân thành cám ơn lời giáo quý giá GS TS Nguyễn Xuân Quỳnh, Viện trưởng Viện Điện tử, Tin học Tự động hóa GS TS Phan Anh, Giám đốc Trung tâm nghiên cứu phát triển Điện tử - Tin học - Viễn thơng, để sách hồn thành với chất lượng cao Tác giả Nguyễn Quốc Trung MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU LỜI NÓI ĐẦU Chương 7: CẤU TRÚC VÀ ĐỘ NHẠY CỦA CÁC BỘ LỌC SỐ 17 7.1 MỞ ĐẦU 17 7.2 CẤU TRÚC CỦA BỘ LỌC SỐ CÓ ĐÁP ỨNG XUNG CHIỀU DÀI HỮU HẠN 18 7.2.1 CẤU TRÚC TRỰC TIẾP CHUẨN TẮC 19 7.2.2 CẤU TRÚC TRỰC TIẾP CHUYỂN VỊ 20 7.2.3 CẤU TRÚC CHUẨN TÁC DẠNG TẦNG 20 7.2.4 CẤU TRÚC CHUẨN TẮC TRỰC TIẾP CỦA BỘ LỌC SÓ FIR PHA TUYẾN TÍNH 21 7.2.5 CẤU TRÚC CỦA BỘ LỌC SỐ FIR VỚI LẤY MẪU TẦN SỐ 25 7.2.6 CẤU TRÚC DẠNG MẮT CÁO 37 7.3 CẤU TRÚC CỦA BỘ LỌC SỐ CĨ ĐÁP ỨNG XUNG CHIỀU DÀI VƠ HẠN 47 7.3.1 CẤU TRÚC TRỰC TIẾP CHUẨN TẮC 47 7.3.2 CẤU TRÚC CHUẨN TẮC DẠNG TẦNG 54 7.3.3 CẤU TRÚC CHUẨN TẮC DẠNG SONG SONG 56 7.2.4 CẤU TRÚC DẠNG HÌNH THANG 58 7.3.5 CẤU TRÚC DẠNG MẮT CÁO 69 7.4 ĐỘ NHẠY 73 7.4.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 73 7.4.2 ĐỊNH NGHĨA ĐỘ NHẠY 73 Chương 8: BIỂU DIỄN HỆ THỐNG RỜI RẠC TRONG KHÔNG GIAN TRẠNG THÁI 90 8.1 MỞ ĐẦU 90 8.2 PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI 90 8.2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 90 8.2.2 MA TRẬN TRẠNG THÁI 91 8.3 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG TRONG MIỀN n 97 8.3.1 XÁC ĐỊNH ĐẦU RA y(n) 97 8.3.2 XÁC ĐỊNH ĐÁP ỨNG XUNG h(n) CỦA HỆ THỐNG NHÂN QUẢ 100 8.4 TRỊ RIÊNG VÀ VECTƠ RIÊNG CỦA MA TRẬN 101 8.4.1 TRỊ RIÊNG CỦA MA TRẬN 101 8.4.2 VECTƠ RIÊNG CỦA MA TRẬN 102 8.5 CHỌN VECTƠ TRẠNG THÁI VÀ MA TRẬN CHỌN T 106 8.5.1 CHỌN VECTƠ TRẠNG THÁI 106 8.5.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA MA TRẬN TRẠNG THÁI 112 8.6 BIẾN ĐỔI Z CỦA PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI VÀ ĐỘ ỔN ĐỊNH 113 8.6.1 BIẾN ĐỔI Z CỦA PHƯƠNG TRÌNH TRẠNG THÁI 113 8.6.2 ĐỘ ỔN ĐỊNH 116 BÀI TẬP CHƯƠNG 118 Chương 9: LỌC SỐ NHIỀU NHỊP 128 9.1 MỞ ĐẦU 128 9.2 THAY ĐỔI NHỊP LẤY MẪU 128 9.2.1 CÁC ĐỊNH NGHĨA 128 9.2.2 PHÉP PHÂN CHIA THEO HỆ SỐ M 130 9.2.3 PHÉP NỘI SUY VỚI HỆ SỐ NGUYÊN L 138 9.2.4 THAY ĐỔI NHỊP LẤY MẪU VỚI HỆ SỐML 143 9.3 BỘ LỌC BIẾN ĐỔI NHỊP LẤY MẪU 151 9.3.1 BỘ LỌC PHÂN CHIA 151 9.3.2 BỘ LỌC NỘI SUY 160 9.3.3 BỘ LỌC BIẾN ĐỔI NHỊP LẤY MẪU VỚI HỆ SỐ MIL KHÔNG NGUYÊN 165 9.4 PHÂN HOẠCH NHIỀU PHA (POLYPHASE DECOMPOSITION) 174 9.4.1 PHÂN HOẠCH NHIỀU PHA HAI THÀNH PHẦN 174 9.4.2 PHÂN HOẠCH NHIỀU PHA M THÀNH PHẦN 179 9.4.3 PHÂN HOẠCH NHIỀU PHA LOẠI HAI 184 9.5 CẤU TRÚC NHIỀU PHA CỦA BỘ LỌC BIẾN ĐỔI NHỊP LẤY MẪU 186 9.5.1 CẤU TRÚC NHIỀU PHA CỦA BỘ LỌC PHÂN CHIA 186 9.5.2 CẤU TRÚC NHIỀU PHA CỦA BỘ LỌC NỘI SUY 192 9.5.3 CẤU TRÚC NHIỀU PHA CỦA CÁC BỘ LỌC BIẾN ĐỔI NHỊP HỆ SỐ MIL KHÔNG NGUYÊN 195 9.6 MỘT VÀI ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG LỌC SỐ NHIỀU NHỊP 203 9.6.1 BANK LỌC SỐ 203 9.6.2 BANK LỌC SỐ NHIỀU NHỊP HAI KÊNH 214 9.6.3 BANK LỌC SỐ NHIỀU NHỊP M KÊNH 225 9.6.4 HỆ THỐNG KHƠI PHỤC HỒN HẢO (PERFECT RECONSTRUCTION) 229 9.6.5 MÃ HOÁ DẢI CON VÀ CẤU TRÚC DẠNG CÂY CỦA BANK LỌC SỐ QMF 233 9.6.6 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH 238 9.6.7 CÁC HỆ THỐNG AUDIO SỐ 251 BÀI TẬP CHƯƠNG 255 Chương 10: BIẾN ĐỔI FOURIER NHANH 264 10.1 MỞ ĐẦU 264 10.2 BẢN CHẤT CỦA BIẾN ĐỔI FOURIER RỜI RẠC (DFT) 264 10.2.1 ĐÁNH GIÁ CÁCH TÍNH TRỰC TIẾP DFT 264 10.2.2 CÁC TÍNH CHẤT CỦA WNkn 267 10.3 BIẾN ĐỔI FOURIER NHANH PHÂN THỜI GIAN (FFT) 270 10.3 ĐỊNH NGHĨA 270 10.3.2 THUẬT TOÁN FFT PHÂN THỜI GIAN TRONG TRƯỜNG HỢP N = 2 270 10.3.3 CÁC DẠNG KHÁC CỦA THUẬT TOÁN 288 10.3.4 THUẬT TOÁN FFT PHÂN THỜI GIAN TRONG TRƯỜNG HỢP 295 10.3.5 THUẬT TOÁN FFT PHÂN THỜI GIAN TRONG TRƯỜNG HỢP 300 10.4 Biến đổi FOURIER nhanh phân tần số 306 10.4.2 Thuật toán FFT phân tần trường hợp N = 307 BÀI TẬP CHƯƠNG 10 315 Chương 11: BIẾN ĐỔI HILBERT 320 VÀ HỆ THỐNG PHA TỐI THIỂU 320 11.1 MỞ ĐẦU 320 11.2 BIẾN ĐỔI HILBERT 320 11.2.1 PHÂN HOẠCH ĐÁP ỨNG XUNG 320 11.2.2 BIẾN ĐỔI HILBERT (HILBERT TRANSFORM: HT) 325 11.3 HỆ THỐNG PHA CỰC TIỂU 329 11.3.1 CÁC BỘ LỌC SỐ PHA CỰC TIỂU 329 11.3.2 BỘ LỌC THÔNG TẤT (ALL - PASS FILTER) 333 11.4 BIẾN ĐỔI HILBERT ĐỐI VỚI DÃY PHỨC 352 11.4.1 BIẾN ĐỔI HILBERT ĐỐI VỚI TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ 352 11.4.2 BIẾN DỔI HILBERT ĐỐI VỚI DÃY PHỨC 363 11.4.3 TỔNG HỢP BỘ LỌC CẦU PHƯƠNG (TỔNG HỢP BỘ BIẾN ĐỔI HILBERT) 371 BÀI TẬP CHƯƠNG 11 379 PHỤ LỤC 386 TÀI LIỆU THAM KHẢO 387 DANH MỤC HÌNH Hình 7.1.1.1 17 Hình 7.1.1.1 18 Hình 7.1.1.2 18 Hình 7.1.1.3 18 Hình 7.2.1.1 19 Hình 7.2.2.1 20 Hình 7.2.3.1 21 Hình 7.2.4.1 22 Hình 7.2.4.2 23 Hình 7.2.4.3 24 Hình 7.2.4.4 25 Hình 7.2.5.2 27 Hình 7.2.5.3 28 Hình 7.2.5.4 29 Hình 7.2.5.5 30 Hình 7.2.5.6 30 Hình 7.2.5.7 31 Hình 7.2.5.8 33 Hình 7.2.5.9 36 Hình 7.2.5.10 37 Hình 7.2.6.1 38 Hình 7.2.6.2 45 Hình 7.3.1.1 48 Hình 7.3.1.2 49 Hình 7.3.1.3 49 Hình 7.3.1.4 (trường hợp M = N) 50 Hình 7.3.1.5 50 Hình 7.3.1.6 51 Hình 7.3.1.7 52 Hình 7.3.1.8 53 Hình 7.3.1.9 54 Hình 7.3.2.1 55 Hình 7.3.2.2 56 Hình 7.3.3.1 56 Hình 7.3.3.2 57 Hình 7.3.4.1 62 Hình 7.3.4.2 63 Hình 7.3.4.3 64 Hình 7.3.4.4 65 Hình 7.3.4.5 68 Hình 7.3.5.2 72 Hình 7.4.2.1 77 Hình BT 7.1.1 78 Hình BT 7.2.1 78 Hình BT 7.2.2 78 Hình BT 7.3 79 Hình BT 7.30 86 Hình BT 7.31 87 Hình BT 7.32 87 Hình BT 7.33 88 Hình 8.2.2.1 92 Hình 8.5.1.1 110 Hình BT 8.5 119 Hình BT 8.7 120 Hình BT 8.8 121 Hình BT 8.9 121 Hình BT 8.10 122 Hình BT 8.11 123 Hình BT 8.12 123 Hình 9.2.1.1 129 Hình 9.2.1.2 129 Hình 9.2.2.1 130 Hình 9.2.2.2 130 10 Hình 11.4.3.4 Trang 342 Theo hình 11.4.3.4 ta thấy đáp ứng tần số 𝐻 ′ ( 𝑒 𝑗 ) có giá trị khoảng (- ) −1 𝐻 ′ (𝑒 𝑗 ) = { 0< ≤ π −π