Nghiên cứu ứng dụng các chips dsps trong xử lý tín hiệu thông tin

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI   LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÁC CHIP DSPs TRONG XỬ LÝ TÍN HIỆU THÔNG TIN APPLICATIONS OF DSP CHIPs FOR COMMUNICATION SIGNAL PROCESSING HỌC VIÊN THỰC HIỆN : TRƯƠNG THƯNG KHÁNH CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ : 60-52-70 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TIẾN SĨ LÊ MẠNH VIỆT THÁNG 10 - NĂM 2006 Luận án tốt nghiệp cao học Mục lục MỤC LỤC Trang MỤC LỤC CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU - CÁC PHẦN THỰC HIỆN TRONG LUẬN ÁN - TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 Các khái niệm tín hiệu rời rạc Định nghóa Tín hiệu lượng tín hiệu công suất Một vài phép biến đổi tín hiệu rời rạc - 7 1.2 Hệ thống rời rạc -1.2.2 Phaân loại hệ thống rời rạc 1.2.2.1 Hệ thống động hệ thống tónh 1.2.2.2 Hệ thống bất biến hệ thống biến đổi theo thời gian 1.2.2.3 Hệ thống tuyến tính phi tuyến tính -1.2.2.4 Hệ thống nhân không nhân -1.2.2.5 Hệ thống ổn định không ổn định - 10 10 10 11 11 12 1.3 Phân tích hệ thống tuyến tính bất biến -1.3.1 Các phương pháp phân tích hệ thống tuyến tính bất biến 1.3.2 Đáp ứng xung 1.3.2.1 Đáp ứng hệ thống tuyến tính bất biến tín hiệu vào 1.3.2.2 Tính chất tổng chập 1.3.3 Đáp ứng xung hệ thống tuyến tính bất biến nhân qua 1.3.4 Tính ổn định hệ thống tuyến tính bất biến -1.4 Sự tương quan tín hiệu rời rạc 1.4.1 Giới thiệu 1.4.2 Tương quan chéo tự tương quan -1.4.3 Đặc tính chuỗi tương quan chéo tự tương quan - 12 12 13 13 15 15 17 18 18 19 20 CHƯƠNG II: HỆ VI XỬ LÝ DSP 2.1 Cấu trúc phần cứng vi xử lý DSP 2.1.1 Cấu trúc Harvard 2.1.2 Pipelining - GVHD: TS.Lê Mạnh Việt HVTH: Trương Thượng Khánh 22 23 24 Luận án tốt nghiệp cao học Mục lục 2.1.3 Các mạch cộng mạch nhân 2.1.4 Các lệnh đặc bieät 2.1.5 Phieân baûn 2.1.6 Boä nhớ bên 2.2 Giới thiệu vi xử lý DSP phổ biến -2.2.1 Họ TMS320 Texas Instrument -2.2.2 Họ DSP56000 Motorola 2.2.3 Họ ADSP2100 Analog Devices 2.3 Giới thiệu Chip xử lý tín hiệu số có dấu chấm động nhà sản xuất TEXAS INSTRUMENTS : TMS320C6713 -2.3.1 Giới thiệu chung 2.3.2 Sơ đồ khối chức CPU (lõi DSP) 2.3.2.1Mô tả CPU ( lõi DSP) 2.3.2.2 Khối điều khiển PLL vaø PLL 2.3.2.3 Port noái tiếp âm tần đa kênh McASP -2.3.2.4 Maïch tích hợp bên ( I2C – Inter integrated circuit) 2.3.2.5 Bảng phân chia vùng nhớ DSP 2.3.3 Moâ taû Kit TMS320C6713 (DSK) -2.3.4 Sơ đồ mạch KIT TMS320C6713 - 25 26 27 27 28 28 29 30 31 31 32 32 35 35 36 37 39 42 CHƯƠNG III: LÝ THUYẾT CƠ SỞ 3.1 Biến đổi Fourier 3.1.1 Định nghóa 3.1.2 Điều kiện tồn biến đổi Fourier -3.1.3 Phổ biên độ, phổ pha phổ mật độ lượng 3.1.4 Tính chất biến đổi Fourier tín hiệu rời rạc 3.1.5 Phân tích hệ thống tuyến tính bất biến miền tần số 3.1.5.1 Đáp ứng tần số (Frequency Response) 3.1.5.2 Quan heä hàm truyền đạt đáp ứng tần số hệ thống 3.1.5.3 Đáp ứng tần số hệ thống ghép noái 3.1.5.3.1 Hệ thống ghép nối tiếp 3.1.5.3.2 Hệ thống ghép song song 3.1.6 Lấy mẫu khôi phục tín hiệu 3.1.6.1 Lấy mẫu tín hiệu tương tự khôi phục tín hiệu từ mẫu 3.1.6.2 Lấy mẫu khôi phục tín hiệu tương tự miền tần số 3.1.6.3 Lấy mẫu khôi phục tín hiệu rời rạc miền tần số 3.1.6.4 Biến đổi Fourier rời rạc chuỗi tín hiệu rời rạc có GVHD: TS.Lê Mạnh Việt HVTH: Trương Thượng Khánh 53 53 54 54 56 62 62 64 64 64 64 65 65 69 71 Luận án tốt nghiệp cao học Mục lục độ dài hữõu hạn 3.1.7 Tính chất cuûa DFT 3.2 Biến đổi Wavelets, Filter bank 3.2.1 Biến đổi wavelets liên tục 3.2.1.1 Định nghóa 3.2.1.2 Các tính chất biến đổi Wavelets liên tục 3.2.1.3 Ví dụ Morlet wavelets 3.2.2 Biến đổi Wavelets rời rạc 3.2.2.1 Chuỗi wavelets rời rạc 3.2.2.2 Các tính chất chuỗi wavelets rời rạc 3.2.3 Wavelets song trực giao 3.2.4 Filter banks 3.2.4.1 Phân tích ïmiền thời gian 3.2.4.2 Phân tích filter banks đa kênh -3.2.4.3 Filter banks nhiều kênh wavelets packet - 73 74 81 84 84 85 88 89 91 92 93 95 96 99 100 CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG HỆ THỐNG XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU 4.1 Tính toaùn nhanh DFT 4.1.1 Tính trực tiếp DFT 4.1.2 Thuật toán tính FFT theo số -4.1.3 Thuật toán tính DFT theo số -4.1.4 Thuật toán Goertzel 4.1.5 Thuật toán tính IFFT 4.2 Thực lọc FIR 4.2.1 Thieát kế mạch lọc FIR phase tuyến tính phương pháp cửa sổ 4.2.2 Thiết kế mạch lọc FIR phương pháp lấy mẫu tần số -4.3 Mạch lọc số có đáp ứng xung vô hạn IIR -4.3.1 Thiết kế mạch lọc IIR từ mạch lọc tương tự 4.3.2 Thiết kế mạch lọc IIR phương pháp tương đương vi phân 4.3.3 Thiết kế mạch lọc IIR phương pháp tính đáp ứng xung bất biến 4.4 Kỹ thuật trải phổ 4.4.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp 4.4.2 Trải phổ nhảy taàn 4.4.2.1 Đặc tính tín hiệu dịch tần -4.4.2.2 Tốc độ dịch tần 4.4.3 Trải phổ nhảy tần chậm - GVHD: TS.Lê Mạnh Việt HVTH: Trương Thượng Khánh 103 104 104 107 110 111 114 115 118 120 121 122 124 126 126 128 128 129 130 Luận án tốt nghiệp cao học Mục lục 4.4.4 Trải phổ nhảy tần nhanh 4.4.5 Hệ thống lai 4.4.5.1 FH/DS 4.4.5.2 TH/FH 4.4.5.3 TH/DS 4.4.6 So sánh DSSS FH 4.4.7 Khả chống can nhiễu băng hẹp -4.5 Bieán đổi wavelets nhanh (Thuật giải Mallat) -4.5.1 Tính toán loïc 4.5.2 Tính toán hệ số biến đổi wavelets rời rạc DWT 4.5.3 Biến đổi wavelets ngược IDWT 4.6 Khử nhiễu Wavelets 4.6.1 Lấy ngưỡng cứng 4.6.2 Lấy ngưỡng mềm 4.6.3 Lấy ngưỡng quantile - 132 132 133 134 134 135 135 137 137 138 139 143 143 144 144 CHƯƠNG V:MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 5.1 Giới thiệu mô hình 5.2 Mô chương trình 5.2.1 Chương trình FFT IFFT 5.2.2 Chương trình DWT IDWT 5.2.3 Chương trình lọc FIR 5.2.4 Điều chế tín hiệu 5.2.4.1 Điều chế biên độ ASK 5.2.4.2 Điều chế FSK 5.2.4.3 Điều chế phase PSK 5.2.4.4 Điều chế trải phổ 5.2.5 Lọc nhiễu dùng wavelets - 146 148 148 148 149 150 151 154 156 158 161 Về cấu trúc vi xử lý DSP Lyù thuyết sở cho hệ thống xử lý số -Thực viết chương trình ứng dụng Mô chương trình Hướng phát triển đề tài - 165 166 166 167 167 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 169 Phuï luïc source code - 171 GVHD: TS.Lê Mạnh Việt HVTH: Trương Thượng Khánh Luận án tốt nghiệp cao học Chương I: Giới thiệu CHƯƠNG I GIỚI THIỆU Xử lý tín hiệu ngành khoa học ứng dụng nhiều lónh vực khác như: Viễn thông, Tin học, Điện tử, Tự động hoá, Vật lý v.v Về mặt lịch sư,û xử lý tín hiệu xuất từ sớm Ban đầu, xử lý tín hiệu đặt tảng kỹ thuật tương tự Mặc dù kỹ thuật có nhiều thành tựu đáng ghi nhận bên cạnh tồn số nhược điểm khó tránh khỏi Từ kỹ thuật số đời đặc biệt xuất máy tính điện tử, ngành xử lý số tín hiệu máy tính có bước phát triển nhảy vọt Xử lý số tín hiệu trở thành ngành có tầm quan trọng lớn ứng dụng rộng rãi Trên máy tính, người ta thực phép xử lý phức tạp mà kỹ thuật xử lý tương tự thực Việc sử dụng máy tính để xử lý tín hiệu có ưu điểm quan trọng khác tính mềm dẻo linh hoạt Tuy nhiên, xử lý tín hiệu số máy tính có nhược điểm không đảm bảo thời gian thực tốc độ vi xử lý bị hạn chế Để khắc phục phần nhược điểm này, với phát triển công nghệ vi điện tử, hãng sản xuất vi mạch đưa thị trường vi xử lý chuyên dụng phục vụ cho công việc DSP với độ xác cao, tốc độ xư ûlý nhanh đặc biệt thực linh hoạt chức xử lý khác Các vi xử lý gọi vi xử lý xử lý tín hiệu số (hay gọi tắt chip DSPs: Digital Signal Proccessor) Ba nhà sản xuất vi mạch đứng đầu sản phẩm DSPs Motorola, Texas Instrument Analog Devices Với đời chip DSPs mở cho chuyên ngành xử lý tín hiệu hướng Việc sử dụng chip DSPs mở rộng phạm vi ứng dụng xử lý tín hiệu số thực tiễn So với phương pháp xử lý tín hiệu trước đây, xử lý số tín hiệu chip DSPs có ưu điểm bật: GVHD: TS.Lê Mạnh Việt Trang HVTH: Trương Thượng Khánh Luận án tốt nghiệp Chương I: Giới thiệu ♦ Tốc độ xử lý nhanh, đảm bảo thời gian thực: ưu điểm có tính chất đột phá giải khó khăn việc xử lý tín hiệu số xử lý tiếng nói, xử lý ảnh động, điều khiển ♦ Tính xử lý cao: chip DSP thiết kế đặc biệt nên có khả thực nhiều phép xử lý khác với độ xác cao ♦ Tính linh hoạt mềm dẻo: muốn thực phép xử lý khác cần thay đổi chương trình điều khiển, không thiết thay đổi phần cứng Trong nội dung luận án này, với đề tài "Nghiên cứu ứng dụng chip DSPs việc xử lý tín hiệu thông tin", tác giả thực số công việc cụ thể sau: Tìm hiểu sơ lược cấu trúc phần cứng họ DSPs phổ biến như: TI, Motorola, Analog Devide Nghiên cứu lý thuyết xử lý số tín hiệu Xây dựng số chương trình để giải toán xử lý số tín hiệu biến đổi Fourier, Wavelets Viết chương trình ứng dụng kit DSP: FIR, IIR, điều chế số, trãi phổ, lọc nhiễu Kết luận xây dựng số mô hình mẫu Sau phần giới thiệu chung bố cục luận án tốt nghiệp CÁC PHẦN THỰC HIỆN TRONG LUẬN ÁN Chương đặt vấn đề tầm quan trọng việc xử lý số tín hiệu đưa ưu điểm bậc việc ứng dụng chip DSPs xử lý tín hiệu thông tin Đồng thời chương nêu hướng giải vấn đề công việc cụ thể luận án tốt nghiệp Phần cuối chương trình bày số khái niệm tín hiệu hệ thống rời rạc Chương hai giới thiệu sơ lược cấu trúc vi xử lý DSP Ba họ DSPs phổ biến ba nhà sản xuất chip DSP hàng đầu giới giới thiệu chương là: Texas Instrument với họ TMS320 Motorola với họ DSP56000 Analog Devide với họ ADSP2100 Chương ba trình bày lý thuyết sở liên quan xử lý số tín hiệu phép biến đổi Fourier, phép biến đổi Wavelets Đồng thời, giới Cao học điện tử-viễn thông khoá 11 Trang HVTH:Trương Thượng Khánh Luận án tốt nghiệp Chương I: Giới thiệu thiệu số lý thuyết lọc FIR, IIR, lý thuyết điều chế tín hiệu, trải phổ tín hiệu, lọc nhiễu… Phần lý thuyết giới thiệu chương đặt tảng cho việc đưa giải thuật cho chương trình thực chương bốn Chương bốn xây dựng hệ thống xử lý số tín hiệu kit DSP Chương trình bày gồm phần Phần đầu nêu thuật giải cho chương trình thực hiện: Thuật giải xuất nhập tín hiệu kit DSP Thuật giải tính nhanh DFT (hay FFT) IDFT Thuật giải biến đổi Wavelets DWT biến đổi ngược IDWT Thuật giải thực lọc FIR, IIR Thuật giải thực điều chế số tín hiệu Thuật giải thực trải phổ tín hiệu Thuật giải thực lọc nhiễu khỏi tín hiệu Phần cuối thuật giải lưu đồ để thực chương trình Các source code chương trình trình bày riêng phần phụ lục Chương năm giới thiệu mô hình đo thử để kiểm tra chương trình thực Phần mô thực kit DSP với thiết bị đo khác máy phát sóng, Osciloscope, DSO Cuối chương có trình bày kết mô đọc từ thiết bị đo nói Chương sáu đưa nhận xét từ kết mô Từ có kết luận việc ứng dụng chip DSP để xử lý tín hiệu thông tin Cuối cùng, chương bảy trình bày công việc thực số kết đạt Đồng thời đưa hướng phát triển mở rộng đề tài phần tài liệu tham khảo TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU 1.1 Các khái niệm tín hiệu rời rạc 1.1.1 Định nghóa Tín hiệu biểu vật lý thông tin Về mặt toán học, tín hiệu hàm vài biến độc lập Hầu hết tín hiệu thực tế tín hiệu thoại, tín hiệu địa chấn, sinh học, tín hiệu radar tín hiệu thông tin liên lạc khác tín hiệu phát truyền hình tín hiệu tương tự Để xử lý tín hiệu tương tự phương pháp số, cần phải biến đổi chúng thành dạng số, tức biến đổi chúng thành chuỗi số có giá trị hữu hạn Thủ tục gọi biến đổi tín hiệu Cao học điện tử-viễn thông khoá 11 Trang HVTH:Trương Thượng Khánh Luận án tốt nghiệp Chương I: Giới thiệu tương tự thành tín hiệu số tương ứng với thiết bị có tên gọi biến đổi tương tự - số (Anolog - to - Digital converter) Về mặt toán học, ta thấy tín hiệu tương tự hàm liên tục (x a (t)) với biến số liên tục (t), tín hiệu số hàm số mà giá trị rời rạc hóa (x(n) với biến số rời rạc (n) Để hiểu rõ hơn, ta xét trình lấy mẫu từ tín hiệu tương tự x a (t) thành tín hiệu rời rạc x(n) Ta xét tín hiệu tương tự x a (t), ví dụ x a (t)=Acos(Ωt+θ) Trong đó, ω hiểu tần số tín hiệu tương tự có thứ nguyên rad/s; Ω=2πF (F có thứ nguyên Hz) Các giá trị tín hiệu lấy với khoảng thời gian cách ∆t=T Khi ∆t = T gọi chu kỳ lấy mẫu (Sampling period) hay khoảng cách lấy 1 mẫu (Sampling interval) giá trị nghịch đảo Fs = ; Fs = T T gọi tốc độ lấy mẫu (Sampling rate) hay tần số lấy mẫu (Sampling frequency) 1.1.2 Tín hiệu lượng tín hiệu công suất a Tín hiệu tuần hoàn Ta nói tín hiệu tuần hoàn với chu kỳ N ta có: x(n) = x(n+N) = x(n+kN) ∀n (1.1) b Độ dài tín hiệu rời rạc Độ dài tín hiệu xác định số mẫu có mặt biểu diễn tín hiệu Độ dài tín hiệu ký hiệu: L[x(n)] Ví dụ 1.5 + u(n) tín hiệu có độ dài vô hạn L[u(n)] = ∞ + δ(n) tín hiệu có độ dài 1: L[u(n)] = c Năng lượng công suất tín hiệu Năng lượng tín hiệu Năng lượng E tín hiệu định nghóa là: E = +∞ ∑ x(n ) (1.2) n = −∞ Năng lượng tín hiệu vô hạn hữu hạn Nếu E hữu hạn (0