XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM XỬ LÝ SỐ TÍN HIỆU Digital Signal Processing Giảng viên: Ths Đào Thị Thu Thủy 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY ► ► ► ► ► 25-Oct-13 Tên học phần : XỬ LÍ SỐ TÍN HIỆU Mã học phần : 2202021057 Sớ tín : (3, 0, 6) Trình độ : Dành cho sinh viên năm thứ Phân bố thời gian: 30 tiết CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY TÀI LiỆU THAM KHẢO Digital Signal Processing, John G Proakis, DimitrisG.Manolakis, Prentice – Hall Publisher 2007, fourth editon, ISBN 0-13-228731-5 Bài giảng “Xử lý số tín hiệu”, Đào Thị Thu Thủy, ĐHCN, Tp HCM “Xử lý số tín hiệu”, Lê Tiến Thường “Xử lý tín hiệu & Lọc số”, Nguyễn QuốcTrung “Xử lý tín hiệu số”, Nguyễn Hữu Phương “Xử lý tín hiệu số”, Quách Tuấn Ngọc 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY NỘI DUNG MƠN HỌC Chương 1: Khái niệm tín hiệu hệ thống Chương 2: Tín hiệu hệ thống rời rạc miền thời gian Chương 3: Tín hiệu hệ thống miền Z Chương 4: Tín hiệu hệ thống miền tần số liên tục Chương 5: Biến đổi Fourier rời rạc DFT Biến đổi Fourier nhanh FFT Chương 6: Mạch lọc số thực mạch lọc số 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY Chương 1: KHÁI NIỆM TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG 1.1 Tín hiệu, hệ thống xử lý tín hiệu 1.2 Phân loại tín hiệu 1.3 Khái niệm tần số tín hiệu liên tục tín hiệu rời rạc thời gian 1.4 Biến đổi AD DA 1.5 Lấy mẫu khơi phục tín hiệu 1.6 Tổng hợp tín hiệu 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 1.1 Tín hiệu, hệ thống xử lý tín hiệu a Khái niệm tín hiệu (signal) Tín hiệu biểu vật lý thơng tin  Tín hiệu biểu diễn hàm theo hay nhiều biến số độc lập  Ví dụ tín hiệu:  Tín hiệu âm thanh, tiếng nói thay đổi áp suất khơng khí theo thời gian  Tín hiệu hình ảnh hàm độ sáng theo biến không gian thời gian  Tín hiệu điện thay đổi điện áp, dòng điện theo thời gian 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY  b Khái niệm hệ thống (system) Hệ thống đặc trưng toán tử T làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu vào x thành tín hiệu y  x T y Hệ thống  Các hệ thống xử lý tín hiệu:  Hệ thống tương tự: Tín hiệu vào tương tự Hệ thống số: Tín hiệu vào tín hiệu số Hệ thống xử lý số tín hiệu : bao gồm xử lý tín hiệu số tương tự   25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY c Khái niệm xử lý tín hiệu (signal processing)     chuỗi cơng việc hay phép tốn thực tín hiệu nhằm đạt mục đích Ví dụ: Tách lấy tin tức chứa bên tín hiệu Truyền tín hiệu mang tin từ nơi đến nơi khác Một hệ thống xử lý tín hiệu thiết bị vật lý- phần cứng, chương trình- phần mềm, kết hợp phần cứng phần mềm phần thực cơng việc riêng 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY  Xử lý số tín hiệu (Digital Signal Processing) Xử lý số tín hiệu = Xử lý tín hiệu phương pháp số (processing of signals by digital means) Phương pháp số: sử dụng chương trình lập trình máy tính chip DSP (Digital signal processor) Ví dụ:  Cải thiện chất lượng ảnh số  Nhận dạng tổng hợp tiếng nói  Nén liệu (để lưu trữ truyền đi) 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY Các hệ thống DSP thực tế:  PC & Sound card: 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 10 5.2 SỰ CHỒNG PHỔ (BIỆT DANH) ► Khi tín hiệu tương tự ở tần số f lấy mẫu ở tốc độ fs để tìm tần số tái lập fo trước tiên ta cộng trừ vào f bội số fs: fo=f  mfs m=0, 1, 2,… ► Các tần số fo nằm khoảng Nyquist [-fs/2, fs/2] biệt danh f 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 62 Ví dụ 5.3 Tín hiệu tương tự ở tần sớ f =100 Hz a Tín hiệu lấy mẫu ở tần sớ fs=120Hz Tần sớ tín hiệu khơi phục bao nhiêu? b Lặp lại lấy mẫu ở fs=220 Hz 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 63 1.5.3 Tín hiệu tương tự ở tần sớ f =100 Hz a Tín hiệu lấy mẫu ở tần sớ fs=120Hz Tần sớ tín hiệu khơi phục bao nhiêu? Giải: a Khoảng Nyquist [-60Hz, 60Hz]  tín hiệu lấy mẫu ko thỏa định lý lấy mẫu  Các tần số tái lập là: fo= f  mfs = 100  m120 = 100, 100  120, 100  240, 100  360,… = 100, 220, -20, 340, -140, 460, -260, … Chỉ có tần sớ -20 Hz  khoảng Nyquist  tín hiệu khơi phục có tần sớ -20Hz (20Hz đảo pha) thay 100 Hz 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 64 5.3.Tín hiệu tương tự ở tần sớ f =100 Hz a Tín hiệu lấy mẫu ở tần sớ fs=120Hz Tần sớ tín hiệu khôi phục bao nhiêu? b Lặp lại lấy mẫu ở fs=220 Hz Giải b Khi lấy mẫu tốc độ fs=220Hz thì thỏa định lý lấy mẫu Khoảng Nyquist (-110Hz,110Hz) Ta có: fo= f  mfs = 100  m220 = 100, 320, -120, 540, -340,… ► Vậy khơng có tần sớ lọt vào khoảng Nyquist ngoại trừ tần số nguyên thủy 100Hz 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 65 Ví dụ 1.5.4 Tín hiệu tương tự: x (t) = + 3cosπt + 2cos2πt + cos3πt (t:ms) a Xác định tốc độNyquist b Nếu lấy mẫu phân nửa tốc đợ Nyquist, xác định tín hiệu xo(t) sẽ biệt danh với x(t) 1.5.5 Tín hiệu x(t)= 2cos8t +2cos6t +cos4t (t:s) Được lấy mẫu fs=15Hz Xác định tín hiệu tương tự tái lập 1.5.6 Tín hiệu x(t)= 5cos8t + 4cos4t cos6t (t:ms) a Tần số lấy mẫu để khơi phục lại tín hiệu ban đầu b Xác định tín hiệu tương tự tái lập lấy mẫu 25-Oct-13 fs =9kHz CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 66 1.5.3 TIỀN LỌC CHỐNG BIỆT DANH Mạch tiền lọc chống biệt danh lọc thông thấp thêm vào trước mạch lấy mẫu để loại bỏ thành phần tần số cao tần số cao fM tín hiệu mà ta muốn giữ lại (hay tần số fs/2 cao hơn) 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 67 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 68 1.5.4 LẤY MẪU QUÁ MỨC VÀ TIÊU HỦY 25-Oct-13 a Lấy mẫu mức Là tốc độ lấy mẫu cao tốc độ Nyquist nhiều để biệt danh mạch tiền lọc đơn giản Tuy nhiên có ứng dụng tần số lấy mẫu phải giảm lại tần số ban đầu để xử lý tiếp b Lọc tiêu hủy Là bộ lọc số thông thấp sau lấy mẫu mức trước đưa tần số lấy mẫu giảm trở lại trị số ban đầu, để bảo đảm biệt danh không xuất trở lại CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 69 5.5 MẠCH KHÔI PHỤC TƯƠNG TỰ ► Mục đích mạch khơi phục tương tự chuyển đổi mẫu rời rạc x(nT) trở thành tín hiệu tương tự xo(t) ► Dựa theo nguyên lý mạch lấy mẫu giữ Mỗi mẫu trì biên độ gặp mẫu (mạch tái lập cầu thang) ta tín hiệu tương tự thơ ► Sau qua mạch hậu lọc (lọc thơng thấp) có tác dụng làm trơn tru dạng sóng tương tự thơ 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 70 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 71 1.6 TỔNG HỢP TÍN HIỆU • • • Tổng hợp biên đợ cộng ở thời điểm nhiều dạng sóng thành phần để dạng sóng tồn thể mong muốn Tổng hợp nhiều sóng sin khác tần sớ dạng sóng khơng sin tuần hồn với tần sớ thành phần Tổng hợp tín hiệu sin tần sớ cho tín hiệu sin tần số 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 72 Các hài tín hiệu sin 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 73 Ví dụ : Tổng hợp hai tín hiệu x1(t) = acost x2(t) = bsint Giải: Hai tín hiệu tần số, khác biên độ pha  Tín hiệu tổng x(t) tần số, khác biên độ pha với x1(t) x2(t) x(t) = x1(t) + x2(t) = acost + bsint = ccos(t+) = ccos cost - csin sint Cân hệ số: ccos = a ; csin = -b 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 74 Bình phương hai vế cộng lại: c2 cos2 = a2 c2 sin2 = b2  c2(cos2 + sin2) = a2 + b2  Lập tỉ số:  25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 75 Vậy: Tín hiệu tổng hợp có tần số khác biên độ pha với hai thành phần 25-Oct-13 CNDT_ ĐÀO THỊ THU THỦY 76