Luận văn điện tử viễn thông Khảo sát đặc tính kĩ thuật lọc bank và thực hiện mô phỏng trên máy tính

mục lục Trang Lời nói đầu 2 Chơng 1 kỹ thuật lọc bank 3 Đ1- cơ sở lý thuyết lọc bank 3 1 .Thế nào là lọc bank 3 2. ý nghĩa lọc bank 4 3. Lọc bank thực hiện nh thế nào 4 Đ2. Các kết cấu cơ bản trong lọc bank 6 I. Tổng quan 6 1. Mạch phân chia 6 2. Mạch nội suy 6 3 Mạch trễ 6 II. Mạch lọc số 6 1. Định nghĩa 6 2. Đặc trng của mạch lọc số 7 3. Các mạch lọc số lý tởng 13 III. Mạch lấy mẫu biến đổi nhịp 17 1 Định nghĩa 17 2. Mạch lọc phân chia 17 3. Mạch lọc nội suy 24 Đ3. Hệ thống khôi phục hoàn hảo 30 1. Định nghĩa 30 2. Điều kiện khôi phục hoàn hảo 32 3. Khôi phục hoàn hảo với M kênh 42 4. Xét ví dụ 43 Chơng II . mô phỏng lọc bank 47 Đ1. Xây dựng mô hình lọc bank 47 1. Mô hình mạch lọc số 47 2. Mô hình mạch lấy mẫu biến đổi nhịp 59 3. Mô hình bank lọc số khôi phục hoàn hảo 68 Đ2. Mô phỏng hệ thống lọc bank khôi phục hoàn hảo hai kênh dùng SIMULINK của MATLAB 72 1. Đặc điểm của phần mềm MATLAB 72 2.Phần mềm SIMULINK 72 3.Thực hiện mô phỏng 73 Kết luận 78 Tài liệu tham khảo 79 1 lời nói đầu Chúng ta đều biết rằng việc số hoá các thiết bị điện tử - viễn thông đã và đang đợc thự hiện rất mạnh mẽ ở trên toàn thế giới cũng nh ở Việt Nam , chính vì vậy mà vấn đề xử lý tín hiệu và lọc số đã trở thành một ngành khoa học và kỹ thuật . Sự phát triển nhanh chóng đó đợc đánh giá bởi sự ra đời của các mạch vi điện tử cỡ lớn VLSI ( Very Large Scale Integrtion ) là nền tảng cho sự phát triển đến chóng mặt của các phần cứng số ( Digital hardware ) chuyên dụng cũng nh máy tính số ( Digital Computer ) với giá thành rẻ hơn , kích thớc nhỏ hơn , tốc độ cao hơn . Chính vì thế kỹ thuật lọc số nhiều nhịp ngày càng đợc ứng dụng nhiều trong lĩnh vực xử lý số tín hiệu để tăng tốc độ tính toán trong các mạch lọc số bằng cách giảm số phép nhân phải thực hiện trong một giây . Và trong quá trình xử lý số tín hiệu bề rộng của dải tần có thể thay đổi nh các phép lọc sẽ triệt tiêu các thành phần tần số không mong muốn , nh vậy bề rộng dải tần của tín hiệu xử lý sẽ giảm đi và chúng ta có thể giảm tần số lấy mẫu cho phù hợp với bề rộng phổ thông của tín hiệu và nh vậy sẽ giảm đợc số phép tính toán trong mạch lọc số .Do những tính chất u việt của nó , kỹ thuật lọc số nhiều nhịp đã đợc nghiên cứu rất nhiều trong những năm gần đây và đã thu đợc những kết quả khả quan về lý thuyết cũng nh ứng dụng kỹ thuật nh trong viễn thông , xử lý tiếng nói , xử lý hình ảnh , các hệ thống antenna , kỹ thuật audio số , đặc biệt hai ứng dụng chính là mã hoá band con ( Subband Coding ) dùng trong xử lý tiếng nói và phân đ- ờng dùng trong viễn thông . Nhận thấy đợc rõ tầm quan trọng và những tính u việt của kĩ thuật lọc bank. Các thầy giáo trong khoa Điện _ Đ iện Tử Tàu Biển , các thầy giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông đã giao cho em đề tài Khảo sát đặc tính kĩ thuật lọc bank và thực hiện mô phỏng trên máy tính để làm luận văn tốt nghiệp. Trong thời gian thực hiện làm luận văn tốt nghiệp , em đã cố gắng hết sức tìm hiểu , học hỏi về lĩnh vực này . Tuy nhiên đây là một lĩnh vực mới và do trình độ bản thân cũng nh thời gian còn hạn chế nên chăc chắn sẽ còn nhiều sai sót, kính mong các thầy giáo đóng góp ý kiến , chỉ bảo để cho luận văn tốt nghiệp của em đợc hàon chỉnh hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy lê quốc vợng đã tận tình hớng dẫn để em hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy giáo trong bộ môn Điện Tử Viễn Thông, các bạn bè đồng nghiệp đã đóng góp ý kiến và chỉ dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu , thực hiện đề tài này 2 kỹ thuật lọc Bank Đ1 - Cơ sở lý thuyết lọc Bank 1- Thế nào là lọc băng a) Định nghĩa : Một mạch bank là một tập hợp các mạch lọc đợc kết hợp lại với nhau, đó là các mạch biến đổi nhịp và đôi khi còn có các mạch trễ . b) Phân loại Bank lọc : Lọc bank đợc chia ra làm hai loạichính đó là: Bank lọc số phân tích và Bank lọc số tởng hợp. + Bank lọc số phân tích là tập hợp các bộ lọc số có đáp ứng tần số là H k (e jw ) đợc nối với nhau theo kiểu một đầu vào và nhiều đầu ra , và cấu trúc bank lọc số phân tích nh sau : Hình 1.1.1.1 + Bank lọc số tổng hợp là tập hợp các bộ lọc số có đáp ứng tần số là F k (e j ) đợc nối với nhau theo kiểu nhiều đầu vào và một đầu ra . Bank lọc số tổng hợp đợc minh hoạ nh sau : 3 2- ý nghĩa của lọc bank : - Ta biết rằng tất cả các tín hiệu có phổ phân bố không đều , nhng qua các mạch lọc ta có thể chia miền tần số ra làm hai dải : Dải tần số thấp và dải tần số cao . Vậy dải tần số thấp ta có thể tăng tần số lên , còn dải tần số cao ta có thể hạ xuống bằng cá mạch hạ nhịp và tăng nhịp . Do đó nó sẽ có lợi cho việc lu trữ , khôi phục , và truyền dẫn . - Mặt khác khi phổ của tín hiệu qua mạch lọc , các thành phần tần số không mong muốn sẽ bị triệt tiêu , bề rộng dải tần của tín hiệu cần xử lý sẽ giảm đi do đó chúng ta có thể giảm tần số lấy mẫu cho phù hợp với bề rộng phổ của tín hiệu. Nh vậy sẽ giảm đợc phép tính toán và tín hiệu đợc khôi phục chính xác hơn . 3- Lọc bank thực hiện nh nh thế nào : Để hiểu rõ về lọc bank ta xét một ví dụ nh sau : Cho bank lọc số phân tích lý tởng hai kênh , tín hiệu vào bank là x(n) có phổ là x (e j ) thì tín hiệu đầu ra của bank lọc số phân tích sẽ có dạng nh sau : Sơ đồ bank lọc số phân tích hai kênh. Trong đó : H 0 (e j ) là mạch lọc số thông thấp lý tởng và H 1 (e j ) là mạch lọc số thông cao lý tởng . Tần số cắt là của cả hai mạch lọc H 0 và H 1 la c = /2 . + Đồ thị phổ của X 0 (e j ) và X 1 (e j ) tại đầu ra của bank lọc đợc mô tả nh trên hình 1.1.3.2 : 4 § 2 - C¸c kÕt cÊu c¬ b¶n trong m¹ch läc Bank . 5 i - Tổng quan : Xuất phát từ định nghĩa lọc bank ở trên ta thấy rằng trong băng lọc số gồm các mạch biến đổi nhịp và các mạch trễ. Trong đó các mạch biến đổi nhịp ở đây có thể là các mạch phân chia hoặc các mạch nội suy.Vậy để làm quen và hiểu rõ hơn các quá trình tiếp theo ta cần phải định nghĩa một số khái niệm mơí 1 - Mạch phânchia Các mạch phân chia là các mạch chỉ làm nhiệm vụ giảm tần số ( hoặc nhịp) lấy mẫu từ một giá trị F s về một giá trị F s (F s > F s ) .Và đợc kí hiệu nh sau x(n) y M (n) Hình 1.2.1.1 Trong đó M là hệ số phân chia 2 - Mạch nội suy Các mạch nội suy là cá mạch chỉ làm nhiệm vụ tăng tần số(hoặc nhịp )lấy mẫu từ một giá trị F s đến một giá trị F s (F s >F S ). Và đợc kí hiệu nh sau. x(n) y L (n) Hình 1.2 1.2 Trong đó L là hệ số nội suy 3 - Mạch trễ Mạch trễ là các mạch có nhiệm vụ làm cho tín hiệu đầu ra trễ đi một khoảng nào đó so với tín hiệu đầu vào , và đợc kí hiệu nh sau x(n) x(n-i) Hình 1.2.1.3 ii - Mạch lọc số : 6 M L Z i 1- Định nghĩa : Một hệ thống dùng để làm biến dạng sự bân bố tần số của các thành phần của một tín hiệu theo các chỉ tiêu đã cho đợc gọi là mạch lọc số . Một mạch lọc số là một hệ thống tuyến tính bât biến trong miền biến số n . Sơ đồkhối trên hình 2.1.1 y(n) = h(n) * x(n) = = )(*)()().( nhnxmnxmh = )().( mnhmx h(n) là đáp ứng xung của mạch lọc 2- Đặc trng của mạch lọc số : - Các mạch lọc số đợc sử dụng cho hai chức năng đó là : + Phần tách những tín hiệu đã đợc kết hợp , + Phục hồi những tín hiệu đã bị méo trên đờng truyền . Các mạch lọc tơng tự có thể đợc sử dụng cho những nhiệm vụ tơng tự nh trên . Tuy nhiên , các mạch lọc số có thể đạt đợc kết quả cao hơn các mạch lọc tơng tự . Các mạch lọc số là một phần rất quan trọng trong việc xử lý tín hiệu số ( DSP : Digital Signal Processer ) . Việc phân tích tín hiệu là rất cần thiết khi một tín hiệu đã bị tác động bởi nhiễu , tạp âm , hoặc các tín hiệu khác . Còn việc khôi phục tín hiệu đợc sử dụng khi một tín hiệu đã bị méo trên đờng truyền . Ví dụ nh việc ghi tín hiệu âm tần đợc thực hiện với thiết bị không tốt thì phải đợc lọc để khi âm âm thanh hiện diện sẽ đựoc tốt hơn và sẽ giống với tín hiệu gốc hơn . 7 Có rất nhiều cách khác nhau để tạo nên mạch lọc số , đợc gọi là phép đệ quy ( Recursion ) ( Đây là phơng pháp trong đó một quá trình quay vòng rõ rệt đợc sử dụng để thực hiện một quá trình lặp ) . Thay vì việc sử dụng một hạt nhân mạch lọc , các mạch lọc đệ quy đợc định nghĩa thông qua một tập hợp các số nhân đệ quy . Đáp ứng xung của mạch lọc đệ quy đợc biểu diễn dới dạng sinx/x, có biên độ suy giảm dần theo hàm số mũ . Và một điểm nữa là mạch lọc đệ quy có đáp ứng ra của nó không những thuộc vào kích thích vào ở các thời điểm hiện tại và quá khứ mà còn phụ thuộc cả vào đáp ứng ra ở thời điểm quá khứ . y(n) = F[y(n - 1) , y(n - 2), , y(n - N) , x(n) , x(n - 1), ,x(n - M) ] và mạch lọc đệ quy là mạch lọc có đáp ứng xung dài vô hạn ( Infinite Impulse Response or IIR filters ) . Phần quan trọng nhất của bất kỳ một nhiệm vụ xử lý tín hiệu số nào là hiểu thông tin đợc chứa đựng trong các tín hiệu mà bạn sẽ làm việc với nó nh thế nào . Có rất nhiều cách biểu diễn thông tin trong một tín hiệu . Trong đó có một số cách điều chế nổi bật là : AM , FM , SSB ( Single Side Bank - Đơn biến ) , PCM ( Pulse Code Modulation - Điều chế xung mã ) , điều chế độ rộng xung Trong tất cả ph- ơng pháp trên , thì rất may mắn là chỉ có hai cách để miêu tả đợc thông tin đặc đặc trng của tín hiệu gốc .Và hai cách biểu diễn đó gọi là : Thông tin đợc biểu diễn theo thời miền gian và thông tin đợc biểu diễn theo miền tần số . a) Các thông số miền thời gian : Không phải tự nhiên mà đáp ứng nhảy bậc lại bị liên quan các mạch lọc miền thời gian , có thể bạn ngạc nhiên tại sao đáp ứng xung lại không là tham số quan trọng . Câu trả lời đơn giản đó là khả năng nhận biết và xử lý thông tin của con ng- ời . Hãy nhớ rằng đáp ứng nhảy bậc , đáp ứng xung và đáp ứng tần số chứa đựng thông tin hoàn toàn nh nhau , nó chỉ khác nhau về sự sắp đặt bên trong . Đáp ứng bậc thì hữu ích trong việc phân tích miền thời gian , bởi vì nó phù hợp với cách mà con ngời nhìn thấy đợc thông tin trong các tín hiệu . Ví dụ : Hãy nghĩ rằng bạn đợc đa cho một tín hiệu gốc không biết nào đó và yêu cầu phải phân tích nó . Trớc tiên bạn phải chia tín hiệu thành các vùng đặc trng tơng tự . Một số vùng có thể đợc bằng phẳng , các vùng khác có thể bị nhiễu . Phần này đã đạt đợc nhiều thành tựu thông qua việc nhận dạng các đặc điểm vùng phân chia đó . Vậyđáp ứng bậc có thể biểu diễn việc sự phân chia giữa hai vùng không giống nhau . Nó có thể đánh dấu khi một sự kiện bắt đầu hay một sự kiện kết thúc . Đây chính là khả năng nhận biết của con ngời qua sự nhìn nhận thông tin trong miền thời gian nh thế nào : Tham số của đáp ứng bậc là quan trọng trong việc thiết kế mạch lọc và đợc chỉ ra trên hình vẽ sau ( Hình 1.2.2.2 ) . 8 Hình 1.2 2 2 Để phân biệt các sự kiện trong một tín hiệu , thì thời gian kéo dài của đáp ứng bậc phải đợc ngắn hơn khoảng trống của các sự kiện. Điều này bắt buộc đáp ứng bậc phải càng nhanh càng tốt, và điều này đợc chỉ ra trên hình (a) và (b) Cách chung nhất để chỉ rõ tốc độ chuyển tiếp ( thời gian lên ) là trích số mẫu giữa khoảng 10% và 90% các mức biên độ . Tại sao tốc độ chuyển tiếp lại không thể luôn luôn nhanh đợc ? Có ba lý do đó là : Sự giảm bớt nhiễu , sự giới hạn vốn có của hệ thống thu thập dữ liệu ( data ) , sự tránh xa hiệu ứng răng ca Hình (c) và (d) chỉ ra rằng các tham số tiếp theo là quan trọng : Sự quá mức trong đáp ứng nhảy bậc , sự vợt mức phải đợc giới hạn chung bởi vì nó làm thay đổi biên độ của các mẫu trong tín hiệu , đây là một sự méo cơ bản của thông tin đợc chứa đựng trong miền thời gian . 9 Cuối cùng điều mà chúng ta mong muốn ở đây là nửa trên của đáp ứng nhảy bậc phải đối xứng với nả dới , nh đợc minh hoạ ở hình ( e) và (f) . Với việc đối xứng này là cần thiết để làm nổi bật đặc trng của thông tin . Sự đối xứng này đợc gọi là pha tuyến tính , bởi vì đáp ứng tần số có một pha đó là một đờng thẳng . b) Các thông số miền tần số : Hình 1.2.2.3 chỉ ra bốn đáp ứng tần số cơ bản : Hình 1 2.2.3 Mục đích của các mạch lọc này cho phép một số tần số đi qua mà không bị thay đổi ( biến đổi ) , trong khi đó các tần số khác bị chặn hoàn toàn . Dải thông đề cập tới các tần số đợc qua , trong đó dải chắn chứa đựng các tần só bị chặn lại . Dải chuyển tiếp giữa dải thông và dải chắn là rất hẹp . Việc phân chia giữa dải thông và dải chắn đợc gọi là tần số cắt . Trong thiết kế các mạch lọc tơng tự , tần số cắt thờng đợc định nghĩa là nơi mà biên độ bị giảm tới 0,707 ( có nghĩa là -3dB) . Các mạch lọc số có tiêu chuẩn thấp hơn và nhìn chung là từ 99%, 90%,70.7%, và 50% mức biên độ ,đã đợc định nghĩa là tần số cắt . Hình 1.2.2.4 chỉ ra ba tham số đánh giá một mạch lọc số biểu diễn trong miền tần số tốt nh thế nào . Để tách đợc các tần số đặt gần kề nhau , mạch lọc phải 10 [...]... thống mã tín hiệu tại đầu ra chỉ sai khác so với tín hiệu vào theo 1 hệ số tỷ lệ và trễ đi một lợng 29 Sự kết hợp các bank lọc số phân tích và bank lọc số tổng hợp đợc gọi là bank lọc số nhiều nhịp Để đơn giản trớc hết ta xét trờng hợp bank lọc số nhiều nhịp M kênh với M= 2 (bank lọc số nhiều nhịp 2 kênh ) Bank lọc số nhiều nhịp này đợc minh hoạ trên hình1 3.1.1 Qua hình ( 1.3.1.1 ) ta thấy rằng nếu... này mạch lọc thông dải chỉ cho thông qua các thành phần tần số từ c1 đến c2 - Các tham số của mạch lọc thông dải lý tởng nh sau : c1 : Tấn số cắt dới 14 c2 : Tần số cắt trên c1 c2 : Dải thông 0 c1 : Dải chắn c2 : Dải chắn - Nếu ta có hai mạch lọc thông thấp có tần số cắt lần lợt là c1 và c2, nếu hai mạch lọc này có cùng đáp ứng pha thì mạch lọc thông dải chính là hiệu của hai mạch lọc thông. .. tuỳ thuộc vào bớc xử lý tiếp theo , còn ở đây ta xét đến hệ thống khôi phục hoàn hảo giữa đầu ra của bank lọc phân tích và đầu vào của bank lọc tổng hợp là đợc khép kín - Để chỉ ra H0 là mạch lọc thông thấp , H1 là mạch lọc thông cao chúng ta thờng phác hoạ thông qua đáp ứng tần số Hình 1.3.1.2 30 Hình 1.3.1.2 (a) : Trờng hợp mạch lọc số lý tởng 31 (b) ; (c) ; (d) : Các trờng hợp mạch lọc số không... bank lọc tổng hợp F 0 và F1 phải thiết kế đặc biệt phù hợp với bank lọc phân tích H0 và H1 Chính vì vậy mục đích của phần này là khám phá điều kiện khôi phục hoàn hảo Tức là ta đi tìm mối quan hệ giữa Bank lọc tổng hợp : F 0 , F1 và 2 với bank lọc phân tích H0., H1 và 2 2- điều kiện khôi phục hoàn hảo - Khôi phục hoàn hảo là một thuộc tính quan trọng Nếu các mạch biến đổi nhịp lấy mẫu (2) và (2)... thuyết các bộ lọc lý tởng , vì vậy ở đây ta xét các mạch lọc lý tởng Lọc ở đây chúng ta hiểu là lọc tần số chính , vì vậy tất cả các đặc trng cảu lọc tần số đều đợc cho theo đáp ứng biên độ a) Mạch lọc số thông thấp lý tởng : Mạch lọc số thông thấp lý tởng là mạch lọc có đáp ứng biên độ nh sau : 1 -c c H(ej) = 0 còn lại Trong đó c là tần số cắt Đồ thị đáp ứng biên độ của mạch lọc số thông thấp... hợp mạch lọc số không lý tởng Trên thực tế các mạch lọc số Ho(Z) và H1(Z) không thể đạt lý tởng nh trên hình ( 3.1.2 ) Trong trờng hợp (a) là mạch lọc lý tởng nó sẽ không gây ra sai số h danh , tức là không gây hiện tợng chồng lấn phổ đối với tín hiệu ra khỏi bội phân chia 2 là V0(ej) và V1(ej) theo sơ đồ trên hình 1.3.1.1 , bề rộng dải thông và dải chắn đúng bằng /2 và bề rộng của dải quá độ = 0... Hlp1(ej) Với : Hbp(ej) : Là đáp ứng tần số của mạch lọc thông dải Hlp2(ej) : Là đáp ứng tần số của mạch lọc thông thấp có tần số cắt c2 Hlp1(ej) : Là đáp ứng tần số của mạch lọc thông thấp có tần số cắt c1 Khi c2 c1 ta có mạch lọc thôngdải hẹp , thờng đợc dùng làm mạch lọc cộng hởng d) Mạch lọc số chẵn dải lý tởng Mạch lọc số chẵn dải lý tởng là mạch lọc có đáp ứng biên độ nh sau - -c1 1 H(ej)... bank lọc thực tế , mạch lọc thông cao có H1=0 tại z = 1 ( hoặc = 0 ) phơng trình ( 3.2.4) trở thành : F0(1) H0(1) = 2 Phơng trình đó tự nhiên hơn nếu chúng ta nhân một thừa số phụ là 2 vào các hệ số nhân của manh lọc Cho một lý do tơng tự các mạch lọc thông cao có thể đợc bình thờng hoá bằng một nhân tử phụ Chúng ta nắm lấy cơ hội này để phân chia các hệ số : C = 2 H 0 và D = 2 H1 cho các mạch lọc. .. lọc không lý tởng nhng cũng không gây chồng phổ đối với V0(ej) và V1(ej) , tức là thành phần h danh không xuất hiện Nhng bề rộng của dải thông sẽ nhỏ hơn /2 và bề rộng của dải chắn sẽ lớn hơn /2 - Trong trờng hợp (b) và (c) sẽ gây hiện tợng chồng phổ , tức là có thành phàn h danh xuất hiện với tín hiệu V0(ej) và V1(ej) , ngoài ra nó còn gây méo biên độ và méo pha Các lỗi này có thể khử đợc nếu bank. .. nhiên và chứa đựng rất ít thông tin hữu ích + Thứ hai : Nếu pha là quan trọng thì rất dễ tạo ra các mạch lọc số với một đáp ứng pha hoàn hảo , điều này có nghĩa là tất cả các tần số khi qua mạch lọc với độ dịch pha bằng không Hình 1.2.2.4 11 3- Các mạch lọc số lý tởng Tùy thuộc vào dải tần số cần truyền đạt mà ngời ta phân biệt đó là mạch lọc thấp hay là thông cao Việc thiết kế các mạch lọc số thực