Xử lý tín hiệu thời gian thực bằng phương pháp số trên môi trường phát triển ứng dụng DSP56307EVM áp dụng trong các hệ định vị vô tuyế

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Hồng Hà XỬ LÝ TÍN HIỆU THỜI GIAN THỰC BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRÊN MÔI TRƯỜNG PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG DSP56307EVM ÁP DỤNG TRONG CÁC HỆ ĐỊNH VỊ VÔ TUYẾN LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội – 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Hồng Hà XỬ LÝ TÍN HIỆU THỜI GIAN THỰC BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRÊN MÔI TRƯỜNG PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG DSP56307EVM ÁP DỤNG TRONG CÁC HỆ ĐỊNH VỊ VƠ TUYẾN Ngành: Cơng nghệ điện tử - viễn thơng Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử thông tin liên lạc Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BẠCH GIA DƯƠNG Hà Nội - 2008 PHỤ LỤC DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .9 MỞ ĐẦU 10 PHẦN I - CƠ SỞ LÝ THUYẾT .11 Chương Tín hiệu hệ thống xử lý tín hiệu 11 1.1 Định nghĩa tín hiệu 11 1.2 Phân loại tín hiệu 11 1.3 Tín hiệu rời rạc [1] 12 1.3.1 Cách biểu diễn tín hiệu 12 1.4 Các tín hiệu rời rạc 12 1.5 Các phép toán dãy 13 1.6 Hệ thống xử lý tín hiệu [1, ] 13 1.6.1 Hệ thống thời gian rời rạc (hệ thống rời rạc) 14 1.6.2 Đáp ứng xung thống rời rạc .14 1.6.3 Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống 14 1.7 Phân loại hệ thống rời rạc 15 1.7.1 Hệ thống không nhớ (hệ thống tĩnh) .15 1.7.2 Hệ thống tuyến tính 15 1.7.3 Hệ thống bất biến theo thời gian .15 1.7.4 Hệ thống nhân 15 1.7.5 Hệ thống ổn định .16 1.7.6 Hệ thống bất biến theo thời gian (LTI) 16 1.8 Hệ thống xử lý số tín hiệu 17 1.8.1 Bộ biến đổi tương tự số (A/D) 17 1.8.2 Bộ biến đổi số sang tương tự (D/A) 18 1.8.3 Mạch lọc trước 18 1.8.4 Mạch lọc sau 18 1.9 Định lý lấy mẫu 19 Chương Các thuật toán xử lý tín hiệu số 20 2.1 Biến đổi Z [1] 20 2.1.1 Khái niệm biến đổi Z 20 2.1.2 Miền hôi tụ (ROC) .20 2.1.3 Cực zeros 20 2.2 Biến đổi Z ngược [1] 21 2.2.1 Định nghĩa .21 2.2.2 Định lý tích phân Cauchy 21 2.3 Các tính chất biến đổi Z [1] 21 2.3.1 Tuyến tính .21 2.3.2 Dịch thời gian 21 2.3.3 Thay đổi thang đo miền z 22 2.3.4 Đảo thời gian 22 2.3.5 Vi phân miền z .22 2.3.6 Nhân chập 22 2.3.7 Tương quan .22 2.3.8 Tích hai dãy 22 2.3.9 Định lý giá trị đầu 22 2.4 Tổng chập 23 2.4.1 Định nghĩa .23 2.4.2 Các tính chất tổng chập 23 2.5 Các phép tính tương quan tín hiệu rời rạc tính chất 23 2.5.1 Tương quan chéo .23 2.5.2 Tự tương quan 23 2.5.3 Các tính chất tương quan chéo tự tương quan .23 2.6 Phân tích hệ thống LTI miền Z [1,2] .24 2.6.1 Hàm truyền đạt hệ thống LTI 24 2.6.2 Hàm truyền đạt hệ thống đặc trưng phương trình sai phân tuyến tính hệ số (LCCDE) 24 2.6.3 Sự kết nối hệ thống LTI [2] 25 Chương Phân tích tín hiệu 26 3.1 Lấy mẫu tín hiệu miền thời gian miền tần số [1] 26 3.1.1 Lấy mẫu miền thời gian khơi phục tín hiệu tương tự .26 3.1.2 Lấy mẫu miền tần số khơi phục tín hiệu rời rạc theo thời gian 26 3.2 Phân tích tần số tín hiệu [1] 27 3.2.1 Tần số tín hiệu rời rạc .27 3.2.2 Phân tích tần số tín hiệu liên tục tuần theo thời gian 29 3.2.3 Phân tích tần số tín hiệu liên tục khơng tuần hồn 29 3.2.4 Phân tích tần số tín hiệu rời rạc 30 3.2.5 Phân tích tần số tín hiệu rời rạc khơng tuần hồn 31 3.3 Các tính chất biến đổi Fourier tín hiệu rời rạc theo thời gian 31 3.4 Biến đổi Fourier rời rạc (DFT) [1, 2] 31 3.4.1 Quan hệ DFT với hệ số chuỗi Fourier dãy tuần hoàn 32 3.4.2 Quan hệ DFT với phổ dãy có độ dài hữu hạn 32 3.4.3 Quan hệ DFT biến đổi Z .33 3.4.4 Các tính chất biến đổi Fourier rời rạc .34 Chương Biểu diễn phân tích hệ thống rời rạc 36 4.1 Hệ thống IRR đệ qui 36 4.1.1 Dạng trực tiếp I 36 4.1.2 Dạng trực tiếp II 37 4.1.3 Dạng chuẩn tắc 37 4.2 Hệ thống FIR không đệ qui 38 4.3 Phân tích hệ thống LTI miền tần số [1,2] 38 4.3.1 Quan hệ vào miền tần số 38 4.3.2 Hàm đáp ứng tần số 39 4.4 Hệ thống LTI mạch lọc số 40 4.4.1 Lọc thông thấp lý tưởng 40 4.4.2 Lọc thông cao lý tưởng 40 4.4.3 Lọc thông dải lý tưởng 40 4.4.4 Lọc triệt giải lý tưởng đáp ứng tần số .41 4.4.5 Lọc thông tất 41 4.4.6 Mạch lọc thực tế 41 Chương Thiết kế lọc 43 5.1 Đặt cực zeros mặt phẳng phức [1,2] 43 5.2 Thiết kế lọc FIR .43 5.2.1 Thiết kế lọc FIR pha tuyến tính dùng cửa sổ .43 PHẦN II PHÂN TÍCH BOARD DSP56307EVM, THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG 46 Chương Vi xử lý (core) DSP56307 [4] 47 6.1 Đặc trưng 47 6.2 Các khối chức Core DSP56300 48 6.2.1 Bộ logic thuật toán liệu (ALU) 48 6.2.2 Bộ phát địa (AGU) 49 6.2.3 Bộ điều khiển chương trình (PCU) 49 6.2.4 Bộ phát xung vòng bám pha (PLL) 50 6.2.5 Module OnCE JTAG TAP 50 6.2.6 Bộ nhớ On-chip .50 6.2.7 Bộ nhớ mở rộng off-chip .51 6.2.8 Các đường bus .51 6.3 Sơ đồ khối DSP56307 52 6.4 DMA 53 6.5 Cấu trúc .53 6.5.1 Chức GPIO .54 6.5.2 Giao diện HI08 54 6.5.3 Giao diện ESSI 55 6.5.4 Giao diện SCI 56 6.5.5 Module định thời .56 6.6 Bộ đồng xử lý lọc tăng cường (EFCOP) [4, 6] 56 6.6.1 Các ghi EFCOP .58 Thanh ghi điều khiển ALU (FACR) .61 6.7 Sơ đồ chân vi xử lý DSP56307 64 6.8 Nhóm chân tín hiệu .65 6.9 Chức chi tiết chân vi xử lý DSP56307 66 6.9.1 Nhóm nguồn 66 6.9.2 Nhóm chân nối đất 66 6.9.3 Nhóm xung nhịp (CLOCK) 67 6.9.4 Nhóm vòng bám pha .67 6.9.5 Nhóm cổng mở rộng nhớ (Cổng A) 67 6.9.6 Điều khiển Mode ngắt 70 6.9.7 Cổng HI08 .71 Chương Cấu trúc board DSP56307EVM [3] 73 7.1 Bộ nhớ FSRAM 74 7.1.1 Liên kết nhớ FSRAM với DSP56307 74 7.2 Bộ nhớ Flash .75 7.3 Codec âm CS4218-KQ [3, 5] 75 7.3.1 Codec vào/ra tương tự .78 7.3.2 Giao diện số Codec 78 7.4 Bộ chuyển đổi lệnh .80 7.5 Các giao diện off-board 82 7.5.1 Giao diện truyền tin nối tiếp (SCI) 82 7.5.2 Cổng nối tiếp tăng cường (ESSI) 83 Cổng nối tiếp tăng cường (ESSI1) 84 7.5.3 Cổng HI08 .86 7.5.4 Điều khiển Bus mở rộng 87 Chương Ngơn ngữ lập trình phần mềm hỗ trợ [3] .89 8.1 Chương trình Asambly 89 8.2 Chương trình gỡ rối Evm30xw 92 8.2.1 Cửa sổ giao diện chương trình Evm30xw 93 8.2.2 Thanh cơng cụ 93 8.2.3 Các cửa sổ chức 97 8.2.4 Cách chạy chương trình 100 Chương Các chương trình kết thực ngiệm 102 9.1 Chương trình liên kết giao codec với DSP .102 9.2 Sử dụng lọc tăng cường EFCOP 104 Mơ hình thực nghiệm: 106 9.2.1 Thực lọc thông thấp .106 9.2.2 Sử dụng lọc tăng cường EFCOP thực lọc thông cao .109 9.2.3 Sử dụng lọc tăng cường EFCOP thực lọc thông dải 112 9.2.4 Sử dụng lọc tăng cường EFCOP thực lọc chặn dải 116 9.3 Thực lọc dùng phương pháp cửa sổ trượt Hanning .120 9.4 Thực lọc sử dụng phương pháp tích luỹ 122 9.5 Thực chương trình tạo tiếng vọng .126 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 128 Kết luận .128 Nâng cao tốc độ lấy mẫu 128 Sử dụng thuật toán bù khử ứng dụng hệ định vị vô tuyến .130 TÀI LIỆU THAM KHẢO 135 PHỤ LỤC A 136 DANH MỤC HÌNH Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình Hình 10 Hình 11 Hình 12 Hình 13 Hình 14 Hình 15 Hình 16 Hình 17 Hình 18 Hình 19 Hình 20 Hình 21 Hình 22 Hình 23 Hình 24 Hình 25 Hình 26 Hình 27 Hình 28 Hình 29 Hình 30 Hình 31 Hình 32 Hình 33 Hình 34 Các loại tín hiệu 12 Các tín hiêụ rời rạc 13 Các hệ thống xử lý tín hiệu 14 Sơ đồ khối hệ thống xử lý số tín hiệu 17 Các thành phần biến đổi A/D 17 Sơ đồ khối lấy mẫu giữ mẫu 18 Biểu diễn z toạ độ cực 20 Sơ đồ khối hệ thống LTI mắc nối tiếp 25 Sơ đồ khối hệ thống LTI mắc song song 25 Giá trị góc tín hiệu tuần hồn 28 Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống IIR dạng trực tiếp I 36 Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống IIR dạng trực tiếp II Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống IIR dạng chuẩn tắc 38 Sơ đồ khối biểu diễn hệ thống FIR không đệ quy 38 Đáp ứng tần số mạch lọc thông thấp lý tưởng 40 Đáp ứng tần số mạch lọc thông cao lý tưởng 40 Đáp ứng tần số mạch lọc thông dải lý tưởng 41 Đáp ứng tần số mạch lọc triệt dải lý tưởng 41 Đáp ứng tần số mạch lọc thông tất lý tưởng 41 Đáp ứng tần số lọc thực tế 42 Board DSP56307EVM 46 Sơ đồ khối DSP56307 53 Sơ đồ khối EFCOP 57 Kênh truyền DMA 64 Kênh truyền DMA 64 Sơ đồ chân DSP56307 65 Sơ đồ thành phần board DSP56307EVM 73 Sơ đồ khối chức DSP56307EVM 74 Sơ đồ liên kết DSP56307 với FSRAM 74 Sơ đồ liên kết DSP56307 với nhớ Flash 75 Sơ đồ khối CODEC CS4218-KQ 76 Định dạng liệu CODEC 78 Sơ đồ codec vào/ra tương tự 78 Giao diện kết nối Codec CS4218 với DSP56307 79 37 Hình 35 Hình 36 Hình 37 Hình 38 Hình 39 Hình 40 Hình 41 Hình 42 Hình 43 Hình 44 Hình 45 Hình 46 Hình 47 Hình 48 Hình 49 Hình 50 Hình 51 Hình 52 Hình 53 Hình 54 Hình 55 Hình 56 Hình 57 Hình 58 Hình 59 Hình 60 Hình 61 Hình 62 Hình 63 Hình 64 Hình 65 Hình 66 Hình 67 Hình 68 Hình 69 Hình 70 Hình 71 Hình 72 Kết nối DSP với máy tính qua giao diện RS-232 81 Q trình chương trình chạy DSP56307EVM Một chương trình nguồn viết Notepad 90 Thư mục file thủ tục 91 Sử dụng trình dịch asm56300 91 Thư mục file thủ tục file dịch 92 Chương trình Evm30xw sau cài đặt 93 Giao diện chương trình gỡ rối Evm30xw 93 Thanh cơng cụ (Tool bar) 93 Giao diện tab file 94 Giao diện tab view 94 Giao diện tab run 94 Giao diện tab symbol 95 Giao diện tab Breakpoint 95 Giao diện tab Config 95 Giao diện tab Window 96 Giao diện tab help 96 Giao diện đầy đủ cửa sổ 97 Giao diện cửa sổ Unassembly 97 Giao diện cửa sổ liệu 98 Giao diện cửa sổ lệnh 98 Giao diện cửa sổ ghi 99 Nạp chương trình 100 Chọn chương trình chạy 100 Chương trình nạp lên board DSP56307 101 Chạy chương trình 101 Dạng tín hiệu vào/ra Codec 103 Giao diện cửa sổ lệnh MATHLAB 104 Đặt tham số cho lọc 104 Dạng đáp ứng xung tương ứng 105 Chọn xuất hệ số lọc 105 Đặt tên cho tham số có liên quan đến chương trình Lưu file Mơ hình thực nghiệm sử dụng lọc EFCOP 106 Đáp ứng xung có dạng 107 Mơ hình thuật tốn lọc thơng thấp 107 Tín hiệu đầu vào với f = 762.929Hz 107 Tín hiệu đầu vào với f = 2.89503 KHz 108 89 Hình 73 Hình 74 Hình 75 Hình 76 Hình 77 Hình 78 Hình 79 Hình 80 Hình 81 Hình 82 Hình 83 Hình 84 Hình 85 Hình 86 Hình 87 Hình 88 Hình 89 Hình 90 Hình 91 Hình 92 Hình 93 Hình 94 Hình 95 Hình 96 Hình 97 Hình 98 Hình 99 Hình 100 Hình 101 Tín hiệu đầu vào với f = 3.22135 KHz 108 Đáp ứng tần số lọc thơng cao 109 Tần số tín hiệu f = 513.359 Hz 110 Tần số tín hiệu f = 2.90624 KHz 111 Tần số tín hiệu f = 3.07148KHz 111 Tần số tín hiệu f = 3.300049 KHz 112 Đáp ứng xung lọc thông dải 113 Thực với tần số F = 958.889 Hz 114 Thực với tần số F = = 1.19474 KHz 114 Thực với tần số F = 1.58968 KHz 115 Thực với tần số F = 3.13355 KHz 115 Thực với tần số F = 3.34873 KHz 116 Đáp ứng tần số lọc chặn dải 117 Thực với tần số f = 599.031 Hz 118 Thực với tần số f = 2.18571 KHz 118 Thực với tần số f = 2.99481 KHz 119 Thực với tần số F = 3.25145 KHz 119 Mơ hình thực nghiệm 120 Đáp ứng tần số lọc thông thấp cửa sổ Hanning 121 Dạng tín hiệu vào/ sau qua l 122 Mơ hình thực nghiệm 123 Mơ hình thuật giải 123 Đệm khơng gian nhớ liệu X 124 Kết thực nghiệm 124 Dạng xung tín hiệu vào (1) tín hiệu sau xử lý (2) 125 Dạng xung tín hiệu vào (1) tín hiệu sau xử lý (2) 125 Kết chương trình tạo tiếng vọng 126 Kết chương trình tạo tiếng vọng 127 Ghép nối CODEC ngồi DSP56307EVM thơng qua cổng HI08 130 Hình 102 Sơ đồ khối hệ thống định vị vơ tuyến 131 Hình 103 Sơ đồ thuật tốn bù khử 133 Hình 104 Sơ đồ đệm trễ không gian nhớ liệu X 133 DANH MỤC BẢNG Nội dung Bảng Các hàm cửa sổ tiêu biểu Bảng Không gian nhớ On-chip Bảng Địa sở ghi EFCOP Bảng Các bit ghi FCNT Bảng Chức bit FCSR Bảng Chức bit FACR Bảng Chức bit FDCH Bảng Nhóm chân vi xử lý DSP56307 Bảng Chân chức nguồn cung cấp Bảng 10 Chân chức chân nối đất Bảng 11 Bảng chân xung nhịp Bảng 12 Bảng chân vịng bám pha Bảng 13 Nhóm bus địa ngồi Bảng 14 Nhóm bus liệu ngồi Bảng 15 Chân chọn chip địa bổ sung Bảng 16 Nhóm điều khiển bus ngồi Bảng 17 MODE ngắt Bảng 18 Bảng chân cổng HI08 Bảng 19 Chọn tần số mẫu khối Jum J9 Bảng 20 Chức khối jum J5 Bảng 21 Chức khối jum J4 Bảng 22 Chức Jum J8 Bảng 23 Chân RS-232 với DSP56002 Bảng 24 Kết nối khối jum J6 với cáp card chuyển đổi lệnh trực tiếp Bảng 25 Đầu nối chân giao diện SCI Bảng 26 Jum J7 Bảng 27 Đầu nối cổng nối tiếp DSP (P1) Bảng 28 Các chân ESSI Bảng 29 Chân đấu nối ESSI0 (J5) Bảng 30 Chân đấu nối ESSI1 (J4) Bảng 31 Các ghi chung cổng ESSI/GPIO Bảng 32 Các ghi ESSI Bảng 33 Các ghi GPIO Bảng 34 Chân đầu nối HI08 Bảng 35 Jump J2 Bảng 36 Chọn chế độ khởi động cho DSP56307 Trang 45 51 58 59 61 62 63 66 66 67 67 67 68 68 68 70 71 72 77 79 79 81 81 82 82 83 83 84 84 84 85 85 86 87 87 88 ... NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Hồng Hà XỬ LÝ TÍN HIỆU THỜI GIAN THỰC BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ TRÊN MÔI TRƯỜNG PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG DSP56307EVM ÁP DỤNG TRONG CÁC HỆ ĐỊNH VỊ VƠ TUYẾN Ngành: Cơng nghệ... tín hiệu phương pháp số, mơ phỏng, xử lý tín hiệu thời gian thực, thiết lập hệ tích hợp tính tốn song song,… Luận văn “ Xử lý tín hiệu thời gian thực phương pháp số môi trường phát triển ứng. .. dựng DSP56307EVM, áp dụng hệ định vị vô tuyến”.Nội dung trình bày xoay quanh vi xử lý số tích hợp mơi trường phát triển ứng dụng khả trình thực tốn xử lý tín hiệu số thời gian thực ứng dụng hệ định