Bài Giảng Xử Lý Tín Hiệu Số

Bài giảng Xử Lý tín hiệu số 1 BÀI GIẢNG XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ 2 Mở đầu  Tín hiệu là khái niệm chỉ ra các biến có mang hoặc chứa một loại thông tin nào đấy mà ta có thể biến đổi, hiện thị, gia công chẳng[.]

BÀI GIẢNG XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ Mở đầu     Tín hiệu khái niệm biến có mang chứa loại thơng tin mà ta biến đổi, thị, gia cơng chẳng hạn như: tiếng nói, tín hiệu sinh học (điện tim, điện não đồ), âm thanh, hình ảnh, tín hiệu radar, sonar Tín hiệu số tín hiệu biểu diễn dãy số theo biến rời rạc Xử lý tín hiệu số (DSP: Digital Signal Processing) môn học đề cập đến phép xử lý dãy số để có thơng tin cần thiết phân tích, tổng hợp, mã hố, biến đổi tín hiệu sang dạng phù hợp với hệ thống Các phép xử lý tín hiệu số bao gồm:      Phép chập Tương quan Lọc số Các phép biến đổi rời rạc Điều chế Mở đầu (tt)    Các sở tốn học xử lý tín hiệu số có từ kỷ 17 18,(biến đổi Fourier) đến thập niên 80 kỷ 20, với đời vi mạch tích hợp cỡ lớn VLSI, chíp dùng cho xử lý tín hiệu số đời TMS 320 hãng Texas Instrument làm cho kỹ thuật xử lý tín hiệu số bước sang bước ngoặt phát triển rực rỡ Hiện nay, xử lý tín hiệu số có phạm vi ứng dụng rộng rãi lĩnh vực như: xử lý ảnh (mắt người máy), đo lường điều khiển, xử lý tiếng nói/âm thanh, quân (bảo mật, xử lý tín hiệu radar, sonar), điện tử y sinh đặc biệt viễn thông công nghệ thông tin So với xử lý tín hiệu tương tự, xử lý tin hiệu số có nhiều ưu điểm sau:       Độ xác cao Sao chép trung thực, tin cậy Tính bền vững: khơng chịu ảnh hưởng nhiều nhiệt độ hay thời gian Linh hoạt mềm dẻo: Chỉ cần thay đổi theo phần mềm ta có tính phần cứng thay đổi theo Thời gian thiết kế nhanh Các chip DSP ngày hồn thiện có độ tích hợp cao Mở đầu (tt)  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 D/A Tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tự Tín hiệu số Tín hiệu số Xử lý tín hiệu số Xử lý số tín hiệu CHƯƠNG I Biểu diễn tín hiệu hệ thống rời rạc miền thời gian rời rạc n Giới thiệu a Khái niệm tín hiệu  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 chuyển 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 b Phân loại tín hiệu TÍN HIỆU Tín hiệu liên tục Tín hiệu rời rạc Biến: liên tục Biên độ: liên tục rời rạc Biến: rời rạc Biên độ: liên tục rời rạc Tín hiệu tương tự Biến: liên tục Biên độ: liên tục Tín hiệu lượng tử hố Biến: liên tục Biên độ: rời rạc Tín hiệu lấy mẫu Biến: rời rạc Biên độ: liên tục Tín hiệu số Biến: rời rạc Biên độ: rời rạc Phân loại tín hiệu (tt) Định nghĩa tín hiệu liên tục: Nếu biến độc lập biểu diễn tốn học tín hiệu liên tục tín hiệu gọi tín hiệu liên tục + Định nghĩa tín hiệu tương tự: Nếu biên độ tín hiệu liên tục liên tục tín hiệu gọi tín hiệu tương tự + Định nghĩa tín hiệu lượng tử hố: Nếu biên độ tín hiệu liên tục rời rạc tín hiệu gọi tín hiệu lượng tử hố Định nghĩa tín hiệu rời rạc: Nếu biến độc lập biểu diễn tốn học tín hiệu rời rạc tín hiệu gọi tín hiệu rời rạc + Định nghĩa 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 + Định nghĩa tín hiệu số: Nếu biên độ tín hiệu rời rạc rời rạc tín hiệu gọi tín hiệu số Lưu ý: Việc phân loại tín hiệu sở để phân loại hệ thống xử lý, chẳng hạn ta có hệ thống rời rạc hay hệ thống tương tự phân loại tương ứng với loại tín hiệu mà hệ thống xử lý tín hiệu rời rạc hay tín hiệu tương tự Minh hoạ phân loại tín hiệu xs  nTs  xa  t  t 8q 7q 6q 5q 4q 3q 2q q ỵ ng tư q q :: møc mứcl- lượng tử T Ts: s thêi gian lÊy mÉu Ts: chu kỳ lấy mẫu Ts 2Ts 3Ts 4Ts 5Ts 6Ts 7Ts 8Ts nTs Ts 2Ts 3Ts 4Ts 5Ts 6Ts 7Ts 8Ts nTs xd  nTs  xq  t  0 8q 7q 6q 5q 4q 3q 2q q t Định lý lấy mẫu Shannon Nếu tín hiệu tương tự xa t  có tần số cao Fmax  B lấy mẫu tốc độ Fs  2Fmax  2B, xa t  phục hồi cách xác từ giá trị mẫu nhờ hàm nội suy Khi Fs=2Fmax = 2B ta gọi Fs lúc tần số lấy mẫu Nyquist Ký hiệu FNyquis hay FN 10 Các bước tính phép chập đồ thị  Bước 1: Đổi biến n thành biến k, x(n) -> x(k), h(n) -> h(k), cố định x(k)  Bước 2: Quay h(k) đối xứng qua trục tung để thu h(-k), tức h(0-k) ứng với n=0  Bước 3: Dịch chuyển h(-k) theo giá trị n, n>0 dịch chuyển bên phải, n n0 Đáp ứng xung hệ thống tuyến tính bất biến nhân quả: Định lý: Đáp ứng xung hệ thống tuyến tính bất biến nhân phải với n < (h(n) = với n 0, a0 = 1: M k r 0 r M N r 0 k 1 y  n    br x  n  r    ak y  n  k  Định nghĩa: Một HTTTBB mô tả phương trình sai phân bậc N > gọi hệ thống đệ qui Nhận xét: y  n   F  x  n  , x  n  1 , , x  n  M  , y  n  1 , y  n   , , y  n  N   Trong trường hợp đầu (đáp ứng hệ thống) phụ thuộc vào đầu vào thời điểm khứ, mà phụ thuộc vào đầu thời điểm khứ N >0 , M = 0: ta có hệ thống đệ qui túy 34 1.6 THỰC HIỆN HỆ THỐNG 1.6.1 Các phần tử thực Có phần tử để thực hệ thống miền rời rạc sau: + Phần tử trễ + Phần tử cộng + Phần tử nhân x1  n  x1  n  D x(n) x2  n  x2  n  x(n-1) L L  x  n xL  n  i 1 xL  n  i b0 Hệ thống không đệ qui  x  n i i 1 b0 x  n  x(n) y(n) F1  x  n 1 , , x  n  M  Hệ thống đệ qui túy Hệ thống đệ qui b0 b0 x  n  b0 x(n) y(n) F1  x  n 1 , , x  n  M  F2  y  n 1 , , y  n  N  b0 x  n  x(n) y(n) F2  y  n 1 , , y  n  N  35 Ví dụ thực hệ thống Hãy biểu diễn HTTTBB mô tả phương trình sai phân sau đây: 3 r 1 k 1 y  n   b0 x  n    br x  n  r     ak  y  n  k  b0 b0 x  n  y(n) x(n) D x(n-1) D x(n-2) D x(n-3) b1 b2 b3 b1 x  n 1 a1 b2 x  n  2 a2 b3 x  n  3 D y(n-1) a3 D y(n-2) D y(n-3) 36 Thực hệ thống phần cứng Bộ Bé ghi ghi dịch dÞch x(n) x(n) x(n-1) x(n-2) b b1 b BộBé nhớ nhíhệhƯsố sè b r Bộ dịch Bé ghi dÞ ch y(n) x(n-M) bM y(n) y(n-1) y(n-2) y(n-N)  a0  a1 a2 aN nhíhệhƯsố sè BộBé nhớ ak 37 1.7 TƯƠNG QUAN TÍN HIỆU Phép tương quan thường dùng để so sánh nhận biết tín hiệu, phân biệt tín hiệu với nhiễu, phát vật thể, hay dùng tín hiệu Radar dùng quân sự, có hai loại tương quan: Tương quan chéo: Tương quan chéo tín hiệu x(n) với y(n) (một hai tín hiệu phải có lượng hữu hạn) định nghĩa sau: R xy (n)    x(m).y(m  n) m  Tự tương quan: Trong phép tương quan chéo x(n)  y(n) ta có phép tự tương quan tín hiệu x(n) với định nghĩa sau: R xx (n)    x(m).x(m  n) m  38 Tổng kết Định lý lấy mẫu Phân loại tín hiệu, hệ thống xử lý tín hiệu Cách biểu diễn tín hiệu rời rạc Các tín hiệu (dãy) Các phép toán Các khái niệm Hệ thống tuyến tính bất biến Đáp ứng xung h(n) Phép chập Hệ thống TTBB nhân quả, tín hiệu nhân 10 Phương trình sai phân tuyến tính hệ số 11 Thực hệ thống 12 Tương quan tín hiệu 39 ... 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 D/A Tín hiệu tương tự Tín hiệu tương tự Tín hiệu số Tín hiệu số Xử lý tín hiệu số. .. học tín hiệu rời rạc tín hiệu gọi tín hiệu rời rạc + Định nghĩa 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 + Định nghĩa tín hiệu số: ... lý tín hiệu số Xử lý số tín hiệu CHƯƠNG I Biểu diễn tín hiệu hệ thống rời rạc miền thời gian rời rạc n Giới thiệu a Khái niệm tín hiệu  Về mặt vật lý: tín hiệu dạng biểu diễn vật lý thơng tin