TÀI LIỆU GIẢNG DẠY XỬ LÝ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ ANALOG SIGNAL PROCESSING TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP HCM KHOA ĐIỆN TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆN CHƯƠNG 2: TÍN HIỆU XÁC ĐỊNH CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH PALACE TÍN HIỆU CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH PHỔ TÍN HIỆU CHƯƠNG 5: TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆ N TỬ BỘ MÔN VIỄN THÔNG TÀI LIỆU GIẢNG DẠY XỬ LÝ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ ANALOG SIGNAL PROCESSING TÁC GIẢ : Th.S Nguyễn Việ t Hùng Th.S Lê Thanh Taân TP.HCM 2007 Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn MỤC LỤC CHƯƠNG I: MỘ T SỐ KHÁI NIỆM CĂ N BẢN CHƯƠNG II: TÍN HIỆU XÁ C ĐỊNH CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH ẢNH LAPLACE CỦ A TÍN HIỆ U 29 CHƯƠNG V: PHÂN TÍCH PHỔ TÍN HIỆU 40 CHƯƠNG V: TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ 66 Phụ lục Tài liệu tham khảo u DH S g n ruo K pham M P HC uat T y th ©T yen u q an B Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Xử lý tín hiệu tương tự CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CĂN BẢN TÍN HIỆU VÀ TIN TỨC: Tín hiệu biểu vật lí tin tức mà mang nguồn tin đến nơi nhận tin Ở ta quan tâm đến tín hiệu điện, dòng điện hay điện áp Tuy nhiên lí thuyết trình bày cho tín hiệu khác, không phân biệt chất vật lí chúng Nhiệm vụ lí thuyết tín hiệu (LTTH) tìm biểu diễn toán học cho tín hiệu, tức mô hình toán học tín hiệu Đồng thời LTTH đưa phương pháp phân tích tín hiệu Mô hình toán học tín hiệu hàm thực hay phức hay nhiều biến Ví dụ s(t), s(x,y), hay s(x,y,t) Tín hiệu hàm thời gian, biểu thò đại điện tín hiệu âm tín hiệu hình Tín hiệu thứ hai hàm hai biền tọa độ không gian (x,y), tín hiệu tónh Tín hiệu sau tín hiệu truyền hình Ở ta xét tín hiệu hàm thời gian HCM t TP như: tiếng nói, âm Tin tức cần truyền từ nguồn tin có chất vật lí ykhá hucanhau t amngK tin (LTTT) lí thuyết ngẫu nhạc, hình ảnh, số liệu đo lường v.v Lí thuyế tphthô u S H nhiên tin tức, có nghóa xétế tính chất bất ngờ tin tức người ngn D o r ©T nhận tin yen u q an Về chất, thông tinBcó tính ngẫu nhiên, có nghóa khôn g biết trước mang tin tức Tín hiệu mang tin tức tin hiệu ngẫu nhiên, mô hình toán học trình ngẫu nhiên thực hay phức Xử lí tín hiệu vấn đề kó thuật, áp dụng kiến thức LTTH, LTTT, kó thuật điện tử, vật lí ứng dụng để tạo hay biểu diễn tín hiệu mang tin tức Nó ứng dụng lónh vực truyền khai thác tin tức kó thuật thông tin, nhận dạng, xử lí ảnh, quan sát trình công nghiệp PHÂN LOẠI TÍN HIỆU: 2.1 Tín hiệu vật lí mô hình lí thuyết: Một tín hiệu biểu diễn trình vật lí, phải tín hiệu vật lí thực Tín hiệ u phải thỏa mãn yêu cầu sau đây: Có lượng hữu hạn Có biên độ hữu hạn Có phổ hữu hạn tiến tới khôn g tần số tiến tới ∞ Việc phân loại tín hiệu dựa sở sau: Phân loại theo trình biến thiên tín hiệu, tín chất đoán trước hay không Phân loại theo lượng: phân biệt thành tín hiệu lượng hữu hạn tín hiệu công suất trung bình hữu hạn (năng lượng vô haïn) Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Xử lý tín hiệu tương tự Phân loại dựa vào hình thái tín hiệu, từ phân loại theo tính chất liên tục hay rời rạc tín hiệu Phân loại tín hiệu dựa vào phổ Phân loại dựa theo thứ nguyên, tín hiệu biến hay nhiều biến 2.2 Tín hiệu xác đònh tín ngẫu nhiên: Cơ sở phân loại dựa trình biến đổi tín hiệu hàm thời gian (xem hình 1.1), xác đònh hay không Theo cách người ta phân thành tín hiệu xác đònh tín hiệu ngẫu nhiên Tín hiệu xác đònh tín hiệu mà trình biến thiên biểu diễn hàm thời gian hoàn toàn xác đònh Còn tín hiệu ngẫu nhiên biến thiên biết trước (có tính may rủi), muố n biểu diễ n phải tiến hành quan sát thống kê u DH S g n ruo K pham M P HC uat T y th ©T yen u q an B Hình 1.1 Về mặt lí thuyết việc xét tín hiệu xác đònh dễ dàng hơn, hoàn toàn xác đònh có mô hình toán học biết trước Đồng thời cũn g biểu thò tín hiệu mà ta quan sát tín hiệu thường gặp phòng thí nghiệm, tín hiệu kiểm tra hay tín hiệu lượng Một tín hiệu có hình dạng xác đònh, vò trí thang thời gian chưa biết trước tín hiệu ngẫu nhiên 2.3 Tín hiệu lượng- Tín hiệu cô ng suất: Cơ sở phân loại thứ hai dựa vào lượng tín hiệu, biết có hai loại tín hiệu lượng hữu hạn tín hiệu công suất trung bình hữu hạn Tín hiệu lượng hữu hạn gồm tín hiệu độ xác đònh ngẫu nhiên Còn tín hiệu công suất bao gồm tất cả: tín hiệu tuần hoàn, tuần hoàn quasi tín hiệu ngẫu nhiê n xác laäp Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Xử lý tín hiệu tương tự Một vài tín hiệu có không phụ thuộc vào hai loại tín hiệu kể trên, ví dụ tín hiệu x(t) = exp(at) với a > t(-∞, ∞), hay tín hiệu xung Dirac (t) dãy tuần hoàn 2.4 Tín hiệu liên tục rời rạc: Một tín hiệu biểu diễn dạng khác tùy theo biên độ có giá trò liên tục hay rời rạc theo biến thời gian liên tục hay rời rạc Có thể phân biệt thành bốn loại sau: Tín hiệu có biên độ thời gian liên tục gọi tín hiệu tương tự (analog) Tín hiệu có biên độ rời rạc, thời gian liên tục tín hiệu lượng tử Tín hiệu có biên độ liên tục thời gian rời rạc tín hiệu rời rạc Tín hiệu có biên độ thời gian rời rạc gọi tín hiệu số (digital) u DH S g n ruo K pham M P HC uat T y th ©T yen u q an B Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Xử lý tín hiệu tương tự CHƯƠNG 2: TÍN HIỆU XÁC ĐỊNH MÔ HÌNH XÁC ĐỊNH CỦA TÍN HIỆU VẬT LÝ: Trong lónh vực mà tín hiệu coi tải nãng lượng lý thuyết mạch lý thuyết hệ thống điện tử, tín hiệu mô tả bàng mô hình xác đònh Còn hệ thống thông tin, nơi mà người ta quan tâm đến vấn đề truyề n tin tức, hay hệ thố ng đo lường, nơi mà ta quan tâm đến kết đại lượng cần đo,thì tín hiệu mô tả bàng mô hình ngẫu nhiên Trong chương trình ta xét đến tín hiệu xác đònh, thấy ràng việc xét tín hiệu xác đònh dễ dàn g so với tín hiệu ngẫu nhiên khái niệm lẫn mô hình tín học Ta đưa số thông tin đạc trưng cho tín hiệu xác đònh phương pháp phân tích chúng, sở để phân tích tín hiệu ngẫu nhiên Các loại tín hiệu xác đònh dùng để mô tả tính chất hệ thống truyền tin tiện lợi, thấy ràng tất hệ thống thông tin tiện lợi, thấy ràng tất hệ thống thông tin, bên cạnh tín hiệu ngẫu nhiên luôn có tín hiệu xác đònh sóng mang, tín hiệu đồn g bộ, tín hiệ u xung nhòp M HC P T t i x,y Khi cần có Chúng ta ký hiệ u tín hiệu xác đònh bàng chữ uacá y th K thể thêm chũ số, giá trò x(t), y(t) pham H Su Dxá g Như nói chương một, tín uhiệ u c đònh có mô hình toán học hàm n Tr o © n thực họac phức theo thời gian, ye phân bố Tuy nhiên cần nhớ n qu a B ràng, khô ng phải tất hàm hay phân bố mô hình có ý nghóa tín hiệu vật lý Trong tất loại tín hiệu người ta thường phân biệt thành hai loại tín hiệu mô tả tín hiệu vật lý thực tế, là: Tín hiệu có lương hữu hạn tín hiệu có công suất trung bình hữu hạn Việc phân loại dựa trê n thông số đặc trưng tín hiệu xác đònh mà ta xét chúng sau CÁC THÔ NG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA TÍN HIỆU XÁC ĐỊNH: 2.1 Tích phân tín hiệ u: Cho tín hiệ u x tín hiệu xác đònh, tồn tring khoảng -∞ 0; Chương trình thực cFuncPulseDouble={s d}; s='0.5*(U(t)-U(t-2))'; d='Pulse (amp=0.5, sec)'; cFuncPulseHalf={s d}; s='t.*(U(t)-U(t-1))'; d='Ramp (1 sec)'; cFuncRamp1={s d}; s='(1-t).*U(t)+(t-1).*U(t-1)'; d='Inverse Ramp (1 sec)'; 99 Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Xử lý tín hiệu tương tự cFuncRamp2={s d}; s='t.*U(t) - (2*t-2).*U(t-1) + (t-2).*U(t-2)'; d='Triangle (2 sec)'; cFuncTriangle={s d}; s='U(t) - 2*U(t-1) + U(t-2)'; d='BiPhasic (2 sec)'; cFuncBiphasic={s d}; s='U(t).*exp(-0.5.*t).*sin(sqrt(3/4)*t)/sqrt(3/4)'; d='Damped Sinusoid'; cFuncDampedSine={s d}; u DH S g n ruo K pham y th T n© s='U(t).*(sin(t).*t+1).*U(4-t)'; quye Ban M P HC uat T d='Oddball function'; cFuncOddBall={s d}; s='U(t).*exp(-t/2)'; d='Exponential, slow'; cFuncExpSlow={s d}; s='U(t).*exp(-2*t)'; d='Exponential, fast'; cFuncExpFast={s d}; s='U(t)-U(t-1)'; d='Pulse (1 sec)'; cFuncPulse1={s d}; 100 Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Xử lý tín hiệu tương tự %% The following lines are useful for debugging % tmin=-4; tmax=5; % t=tmin:((tmax-tmin)/1000):tmax; %s % plot(t,eval(s)); save 'ConvolveFuncs' cFunc* function u=U(t) u=t>0; Kết a Kết phé p chập xung vuông: u DH S g n ruo K pham M P HC uat T y th ©T yen u q an B 101 Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Xử lý tín hiệu tương tự Xung thứ Xung thứ hai b Kết phép chập xung vuông xung tam y thgiác: g ruon ©T yen u q an ham up DH S K M P HC uat T B c Kết phép chập xung tam giaùc: 102 Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Xử lý tín hiệu tương tự M P HC uat T h Ky t m a ph S.uBạ H Note: Trê n vài kết tiê u biể u n đọc thử loại xung khác D uong r T n© quye n a B Kết chương trình phân tích phổ Tín hiệu tiếng nói Mật độ phổ cô ng suất 103 Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Xử lý tín hiệu tương tự u DH S g n ruo K pham M P HC uat T y th Năng lượng chuỗi vào ©T yen u q Ban Spectrogram 104 Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Xử lý tín hiệu tương tự F0 contour dùng kỹ thuật tự tương quan u DH S g n ruo K pham M P HC uat T y th ©T yen u q an B F0 contour dùng kỹ thuật Cepstrum 105 Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Xử lý tín hiệu tương tự u DH S g n ruo Formant K pham M P HC uat T y th ©T yen u q an B 106 Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn Truong DH SPKT TP HCM http://www.hcmute.edu.vn Xử lý tín hiệu tương tự Tài liệu tham khảo Nguyễ n Việt Hùng, Bài giảng Lý Thuyết Tín Hiệu, ĐH Sư Phạm KT 1997 Phạm Thò Cư, Lý thuyết Tín Hiệu, Nhà Xuất Bản Giáo Dục, 2002 Edward Kamen, Introduction to Signals and Systems, Nxb MacMillan,1987 Jonh Proakis & Dimitri Manokalis, Introduction to Digital Signal Processing, Nxb MacMillan 1989 Jerry D Gibson, Principles of Digital and Analog Communications, Nxb MacMillan 1990 Gonorovsky, Radio Circuits and Signals, Nxb: MIR Publishers Moscow 1981 u DH S g n ruo K pham M P HC uat T y th ©T yen u q an B 105 Thu vien DH SPKT TP HCM - http://www.thuvienspkt.edu.vn ... xétế tính chất bất ngờ tin tức người ngn D o r ©T nhận tin yen u q an Về chất, thông tinBcó tính ngẫu nhiên, có nghóa khôn g biết trước mang tin tức Tín hiệu mang tin tức tin hiệu ngẫu nhiên, mô... như: tiếng nói, âm Tin tức cần truyền từ nguồn tin có chất vật lí ykhá hucanhau t amngK tin (LTTT) lí thuyết ngẫu nhạc, hình ảnh, số liệu đo lường v.v Lí thuyế tphthô u S H nhiên tin tức, có nghóa... hiệu tương tự CHƯƠNG 1: MỘT SỐ KHÁI NIỆM CĂN BẢN TÍN HIỆU VÀ TIN TỨC: Tín hiệu biểu vật lí tin tức mà mang nguồn tin đến nơi nhận tin Ở ta quan tâm đến tín hiệu điện, dòng điện hay điện áp Tuy