Thiết kế, mô phỏng hệ thống giải mã tín hiệu DTMF

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - BÁO CÁO MINI-PROJECT MƠN TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG Đề tài: Thiết kế, mơ hệ thống giải mã tín hiệu DTMF GVHD: SV thực hiện: TPHCM, tháng 12 năm 2015 Mini-project môn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt I Thiết kế hệ thống giải mã tín hiệu DTMF: Để quay số đường dây điện thoại, ta sử dụng tín hiệu DTMF Mỗi số mã hóa thành phần tần số có biên độ, tần số cho bảng: Ví dụ để truyền phím số 1, tín hiệu DTMF truyền gồm thành phần tần số 697 Hz 1209 Hz có biên độ, tức phương trình tín hiệu truyền có dạng ( ) ( ) ) Để giải mã tín hiệu có dạng này, ( dùng lọc để giữ lại biên độ tần số ứng với lọc giảm biên độ tần số khác, từ cho tín hiệu qua định tần số để xác định tín hiệu DTMF ban đầu có tần số hay khơng, có ngõ 1, khơng ngõ I.1 Bộ định tần số: Ứng với ngõ lọc, ta chọn định sau: Xét tín hiệu hình sin, biên độ A, tần số góc Khi qua trị tuyệt đối ( ) | ( )|, tín hiệu ban đầu có thành phần DC khác 0, chu kì giảm xuống nửa, hay tần số lúc tăng lên gấp đôi Chuỗi Fourier cho ta thành phần DC: ∫ ( ) ∫ ( ) ( )| không phụ thuộc vào tần số Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt Như ta chọn lọc thông thấp cho giữ lại thành phần DC lọc bỏ thành phần AC Cơ nhất, ta chọn lọc thông thấp bậc có hàm truyền: ( ) Ta có tần số góc nhỏ tín hiệu DTMF ( ), ta chọn a cho tần số góc biên độ | ( )| đủ nhỏ Một vấn đề với a nhỏ, tức triệt tín hiệu AC tốt xác lập chậm (quá độ dài), ta chọn biên độ -40dB Lúc , mô (chọn biên độ A=2V) lúc cho ta thời gian xác lập hệ thống khoảng 0.06s, xác lập biên độ dao động tín hiệu khơng q 0.01 V Dữ kiện cuối định điện áp tham khảo , ta nói phần mục Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt I.2 Hàm truyền lọc tương tự: Ta có nhận xét khoảng cách tần số liên tiếp dải khoảng 0.04 decade (ứng với tỉ số 1.1), khoảng cách tần số lớn dải thấp (941 Hz) tần số nhỏ dải cao (1209 Hz) khoảng 0.1 decade Ta phải tách riêng tần số ra, cần có lọc cho tần số Một cách đơn giản nhất, ta chọn lọc thông thấp cho tần số thấp (697 Hz), chọn lọc thông cao cho tần số cao (1633 Hz) tần số lọc thông dải Xét lọc thông thấp trước, với khoảng cách 0.04 decade bậc lọc làm cho độ dốc hàm truyền giản đồ Bode giảm khoảng 20dB/decade chọn giá trị nhỏ (tầm -10dB trở xuống) bậc lọc lớn Mặt khác điều thực khơng cần thiết định lọc thơng thấp làm tốt nhiệm vụ lọc bỏ tín hiệu AC, nên khoảng vừa đù cho lựa chọn tốt lúc bậc lọc thông thấp (và lọc thông cao) Ta chọn vào khoảng 3-4 I.2.1 Xây dựng lọc thông thấp: Ta chọn thông số lọc thơng thấp để lọc lấy tín hiệu có tần số 697Hz: ( ) ( ) Chọn lọc Chebychev Ta có thơng số hàm truyền: √ Chọn n=3 √ ( Chọn ) ứng với r=1 dB Tra bảng ta có hàm truyền chuẩn hóa: ( s) s3 0.49131 0.98834s 1.2384s 0.49131 Mini-project môn Tín Hiệu Hệ Thống Thế GVHD: Trần Quang Việt ) để hàm truyền: ⁄( H1 ( s) 41.622 109 23.888 106 s 41.662 109 s3 4340.7s Với hàm truyền này, ta tính lại giá trị | ( f (Hz) | ( )| )| tần số: 697 770 852 941 1209 1336 1477 1633 0.897 0.694 0.481 0.325 - - - - (các dấu – thể giá trị bé 0.2) I.2.2 Xây dựng lọc thông cao: Ta chọn thông số lọc thơng cao để lọc lấy tín hiệu có tần số 1633Hz: ( ) ( ) Ta thiết kế lọc mẫu thông thấp trước, lọc có khơng đổi so với lọc trên, Chọn lọc Chebychev Ta có thơng số hàm truyền: n 1626 cosh 1483 cosh 1 100.3 100.1 2.97 Chọn n=3 100.3 1626 cosh 3cosh 1483 0.5031 ứng với r=1 dB Chọn Tra bảng ta có hàm truyền chuẩn hóa: Thế s ( s) s3 0.49131 0.98834s 1.2384s 0.49131 1626 để hàm truyền: s H8 ( s) 0.49131s3 0.49131.s3 12652.2s 0.10316 109 s 1.0664 1012 Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt Với hàm truyền này, ta tính lại giá trị | ( f (Hz) | 697 770 852 941 1209 1336 1477 1633 - - - - 0.326 0.483 0.695 0.898 )| ( )| tần số: I.2.3 Xây dựng lọc thông dải: Trước tiến hành chọn thông số lọc thông dải Ta cần phải thống số vấn đề sau: o Việc biến đổi từ lọc thông thấp sang lọc thông dải phức tạp Vì ta phải thay s s2 ( p1 p2 p2 p1 )s , từ bậc ta bị tăng lên bậc 2, bậc tăng lên bậc 4, bậc tăng lên bậc 6, khó cho việc tính tốn dẫn đến sai sót khơng đáng có Cho nên ta ưu tiên việc chọn lọc bậc cho lọc thông thấp mẫu tương ứng với lọc thơng dải cần tìm o Việc sử dụng lọc bậc hay không phụ thuộc vào giá trị n hay xác giá trị qua cơng thức: s cosh n o Vì ta chọn Gs sau ta chọn , p1 s2 s , s1 , p1 s2 , p2 10 Gp s p2 10 10 s Thế vào công thức : p1 p 2 s1 ( p1 s1 Việc chọn 1dB nên để n=1 3dB, Gp s1 cosh Gs 10 p2 ) ; s2 s2 ( p1 p p2 p1 ) tuỳ theo chức lọc Cụ thể sau: ­ Để bậc thấp độ dốc phổ biên độ lọc thông thấp thoải (hay s p ­ Nhưng lớn) s p lớn kéo theo khoảng tần số lọc p2 p1 bị thu nhỏ không lấy hết tín hiệu tần số cần lấy (có thể tín hiệu bị nhiễu lệch khỏi giá trị tần số cần lấy o ) Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt ­ Đối với tần số thấp (770 z (73 z 89 z) nên ta chọn s (33 ) p p1 , 941 z) : Khoảng cách mốc thoả p2 (127 z 156 z) nên ta chọn (67 ) p p1 o p2 20 (rad.s ) ; (49 ) ­ Đối với tần số cao (1209 z s o p1 , 1477 z) : Khoảng cách mốc thoả p2 o p1 o p2 30.2 (rad.s ) ; (96 ) a) Bộ lọc lấy tín hiệu có tần số 770Hz: Ta chọn thông số lọc thơng dải để lọc lấy tín hiệu có tần số 770Hz: s1 Gp 717(rad s ), 1dB, Gs 750(rad s ), p1 832(rad s ), s2 p2 3dB Ta thiết kế lọc mẫu thơng thấp trước, lọc có lọc trên, 790(rad s ) 1, p s p1 p 2 s1 ( p1 s1 p2 ) ; s2 s2 ( p1 p p2 p1 ) không đổi so với 2.7340; 2.9965 2.7340 Chọn lọc Chebychev Ta có thơng số hàm truyền: n cosh cosh 2.7340 100.3 100.1 0.7777 Chọn n=1 100.3 cosh cosh 2.734 ứng với r=1dB Chọn Tra bảng ta có hàm truyền chuẩn hóa: Thế s 0.3649 s2 ( p2 p1 p p1 )s ( s) 1.9652 s 1.9652 s 2 750.2 790 để hàm truyền: (790 750).2 s H ( s) s2 493.91.s 493.91s 23.391 106 Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt Với hàm truyền này, ta tính lại giá trị | ( f (Hz) | 697 )| ( 770 852 )| tần số: 941 1209 1336 1477 1633 - - - - 0.457 0.999 0.449 0.245 b) Bộ lọc lấy tín hiệu có tần số 852Hz: Ta chọn thông số lọc thông dải để lọc lấy tín hiệu có tần số 852Hz: s1 790(rad s ), Gp 1dB, Gs p1 832(rad s ), s2 921(rad s ), p2 3dB Ta thiết kế lọc mẫu thông thấp trước, lọc có lọc trên, 1, p s p1 p 2 s1 ( p1 s1 p2 ) s2 ; s2 ( p1 p p2 p1 s2 ( p1 p p2 p1 )s 697 )| ( ( s) 1.9652 s 1.9652 493.91.s 493.91s 28.642 106 s2 Với hàm truyền này, ta tính lại giá trị | ( | 3.2090 s 2 832.2 872 để hàm truyền: (872 832).2 s H ( s) f (Hz) không đổi so với 3.2090;3.3316 ) Tương tự phần trên, ta có hàm truyền chuẩn hóa: Thế s 872(rad s ) 770 852 )| tần số: 941 1209 1336 1477 1633 - - - - 0.223 0.415 0.999 0.420 c) Bộ lọc lấy tín hiệu có tần số 941Hz: Ta chọn thông số lọc thông dải để lọc lấy tín hiệu có tần số 941Hz: s1 Gp 872(rad s ), 1dB, Gs p1 921(rad s ), s2 1010(rad s ), p 961(rad s ) 3dB Ta thiết kế lọc mẫu thông thấp trước, lọc có lọc trên, p2 1, s p1 p 2 s1 ( p1 s1 p2 ) ; s2 s2 ( p1 p p2 p1 ) Tương tự phần trên, ta có hàm truyền chuẩn hóa: khơng đổi so với 3.5750;3.3421 ( s) 3.3421 1.9652 s 1.9652 Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống s2 Thế s ( s 2 921.2 961 để hàm truyền: (961 921).2 s p1 p p2 p1 GVHD: Trần Quang Việt )s H ( s) 493.91.s 493.91s 34.942 106 s2 Với hàm truyền này, ta tính lại giá trị | ( f (Hz) | 697 )| ( 770 - 852 )| tần số: 941 1209 1336 1477 1633 - - - 0.203 0.389 0.999 0.163 e) Bộ lọc lấy tín hiệu có tần số 1209Hz: Ta chọn thơng số lọc thơng dải để lọc lấy tín hiệu có tần số 1209Hz: s1 1112(rad s ), Gp 1dB, Gs 1179(rad s ), p1 s2 1306(rad s ), p2 3dB Ta thiết kế lọc mẫu thơng thấp trước, lọc có lọc trên, 1, p s s1 p1 p s1 ( p1 ) p2 ; s2 s2 ( p1 p p2 s2 ( p2 p1 )s H ( s) s | ( )| ( s) 1.9652 s 1.9652 740.86.s 740.86s 57.669 106 Với hàm truyền này, ta tính lại giá trị | ( f (Hz) 3.1247 s 2 1179.2 1239 để hàm truyền: (1239 1179).2 s p2 p1 không đổi so với 3.3609;3.1247 p1 ) Tương tự phần ta có hàm truyền chuẩn hóa: Thế s 1239(rad s ) 697 770 852 - - - 941 )| tần số: 1209 1336 1477 1633 0.189 0.999 0.437 0.235 - e) Bộ lọc lấy tín hiệu có tần số 1336Hz: Ta chọn thơng số lọc thơng dải để lọc lấy tín hiệu có tần số 1336Hz: s1 Gp 1239(rad s ), 1dB, Gs p1 1306(rad s ), s2 1447(rad s ), p2 1366(rad s ) 3dB Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt Ta thiết kế lọc mẫu thông thấp trước, lọc có lọc trên, 1, p s s1 p1 p s1 ( p1 ) p2 ; s2 s2 ( p1 p Tương tự phần ta có hàm truyền chuẩn hóa: s2 Thế s ( p1 p2 )s H ( s) | 1.9652 s 1.9652 s2 )| tần số: 697 770 852 941 1209 1336 1477 1633 - - - - 0.405 0.999 0.401 0.213 )| ( ( s) 740.86.s 740.86s 70.429 106 Với hàm truyền này, ta tính lại giá trị | ( f (Hz) 3.3478 s 2 1306.2 1366 để hàm truyền: (1366 1306).2 s p2 p1 3.3478;3.5685 p1 ) p2 khơng đổi so với f) Bộ lọc lấy tín hiệu có tần số 1477Hz: Ta chọn thơng số lọc thơng dải để lọc lấy tín hiệu có tần số 1477Hz: s1 1366(rad s ), Gp 1dB, Gs 1447(rad s ), p1 1603(rad s ), s2 p2 3dB Ta thiết kế lọc mẫu thơng thấp trước, lọc có lọc trên, 1, p s p1 p 2 s1 ( p1 s1 p2 ) s2 ; s2 ( p1 p p2 p1 s2 ( p2 p1 )s H ( s) s | ( )| ( s) 1.9652 s 1.9652 740.86.s 740.86s 86.088 106 Với hàm truyền này, ta tính lại giá trị | ( f (Hz) 3.8393 s 2 1447.2 1507 để hàm truyền: (1507 1447).2 s p2 p1 không đổi so với 3.8393; 4.0443 ) Tương tự phần ta có hàm truyền chuẩn hóa: Thế s 1507(rad s ) )| tần số: 697 770 852 941 1209 1336 1477 1633 - - - - 0.195 0.370 0.999 0.368 10 Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt I.3 Mức điện áp tham khảo VT định: Ở tất lọc, ta chọn giá trị đại lượng Gp Gs giống nhau: Việc chọn có tác dụng: o Khi tín hiệu rơi vào vùng pass (vùng lấy), tín hiệu qua lọc biên độ khoảng biên độ ban đầu Vậy tức giá trị thành phần chiều tín hiệu là: a01 a0 89% 89% 1.133 o Tương tự tín hiệu rơi vào vùng stop (vùng khơng lấy), tín hiệu qua lọc biên độ khoảng 71% biên độ ban đầu Vậy tức giá trị thành phần chiều tín hiệu là: a02 Như ta chọn a0 71% 0.71 0.904 thỏa mãn Tuy nhiên tín hiệu DTMF ban đầu có thành phần, thành phần bị giảm biên độ khơng q 71%, thành phần lại biên độ DC bé 20% nên chồng chập lại giá trị DC lớn 0.904 gần đến giá trị 1.133 nên ta ưu tiên chọn phần I không 0.01, phần mô ta chọn giá trị lớn Với sai số VT 11 Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt II Mô hệ thống dùng MATLAB: File mơ (định dạng slx) download địa chỉ: http://www.mediafire.com/download/348nofki8tg7guy/DTMF_main.slx II.1 Tổng quan: Sử dụng Simulink Library phần mềm MATLAB, ta mô hệ thống xây dựng phần để kiểm chứng tính đắn thơng số hệ thống Tổng qt, phần mơ chia thành phần: ngõ vào, hệ thống (phần chính), ngõ Ngõ vào hệ thống gồm khối tạo sóng sin (Sine wave) để tạo tín hiệu hình sin, ta chỉnh thông số biên độ (cố định 2) tần số (chỉnh tương ứng với giá trị cần kiểm chứng) ngõ khối Sine wave kết nối vào ngõ vào cộng (Add) để cộng tín hiệu lại tạo thành tín hiệu DTMF hồn chỉnh, tín hiệu đưa vào hệ thống xử lý Ngoài ra, hệ thống ngõ vào điện áp so sánh , biểu diễn dạng khối Constant 12 Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt Ngõ gồm khối Display để xác định giá trị ứng với ngõ ra, hệ thống xác ngõ lên giá trị tần số có tín hiệu DTMF, ngược lại ngõ có giá trị II.2 Hệ thống xử lý tín hiệu DTMF: Hệ thống gồm có ngõ vào, khối tạo hàm truyền (TransferFcn) ứng với lọc xác định phần 2, định có cấu tạo giống ngõ Ngõ vào thứ nhận tín hiệu DTMF, nối với lọc, lọc khối TransferFcn, thông số hàm truyền ta nhập vào dạng hai ma trận num den (tử thức mẫu thức) ví dụ hình dưới: 13 Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt Ta có bảng hàm truyền lọc: Tên Tần số ngõ lọc tương ứng Bo_loc_1 697 Hz Bo_loc_2 770 Hz Bo_loc_3 852 Hz Bo_loc_4 941 Hz Bo_loc_5 1209 Hz Bo_loc_6 1336 Hz Bo_loc_7 1477 Hz Bo_loc_8 1633 Hz Hàm truyền Mỗi ngõ lọc nối vào với ngõ vào thứ định, ngõ vào In2 định nối chung đến ngõ vào thứ hệ thống (là điện áp tham khảo ) Bộ định có cấu tạo được nhắc đến phần 1, cụ thể sau: Ngõ định nối vào ngõ tương ứng hệ thống 14 Mini-project môn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt II.3 Một ví dụ q trình xử lý tín hiệu DTMF: Giả sử tín hiệu DTMF gồm tần số 697 Hz 1209 Hz Để đơn giản ta quan sát hai lọc ứng với tần số 697 Hz 770 Hz Ta có đồ thị ngõ vào: Giá trị lớn sóng ngõ vào 4V Xét tín hiệu qua lọc: Tín hiệu qua lọc lấy số 697 Hz 15 Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt Tín hiệu qua lọc lấy số 770 Hz Qua lọc 1, tín hiệu ngõ có biên độ khoảng 87%, qua lọc 2, tín hiệu ngõ có biên độ khoảng 59% Xét tín hiệu qua lọc thông thấp định: Ngõ lọc định tần số 697 Hz, giá trị DC 1.14V 16 Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt Ngõ lọc định tần số 770 Hz, giá trị DC 0.8V Khi xác lập, giá trị DC tín hiệu vào khoảng 1.14V, tín hiệu khơng q 0.8V Vì với mức điện áp tham khảo 1.1 V Ngõ lên giá trị 1, ngõ giữ mức Cụ thể ta xem giản đồ ngõ 1: 17 Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt II.4 Kết mô cụ thể: Mơ phím bấm Ngõ Tần số thấp Tần số cao 1 1209 1336 1477 A 1633 1209 1336 1477 B 1633 1209 1336 1477 C 1633 * 1209 1336 # 1477 D 1633 1 697 1 1 770 1 1 852 1 1 941 1 18 Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt III Kết luận: o Qua q trình mơ phỏng, hệ thống xây dựng phần II cho kết với yêu cầu đề tài với lý thuyết nêu phần I o Ưu điểm hệ thống hàm truyền có bậc nhỏ (khơng q 3, thực tế làm tất lọc thông dải bậc 2) o Khuyết điểm: Trong matlab cho phép ta ghi trực tiếp thông số hàm truyền vào sơ đồ khối Nhưng thực tế không dễ dàng vậy, ta phải đưa hàm truyền mạch điện tử dùng OPAMP khó khăn việc tìm giá trị linh kiện điện tử ( điện trở, tụ điện) thích hợp o Ngồi việc chọn GS khơng q nhỏ (để bậc hàm truyền nhỏ) dễ làm cho mạch chạy khơng thực tế o Ngồi cách sử dụng lọc tương tự, ta xác định tần số cách lấy mẫu tín hiệu sử dụng lọc số (dễ thiết kế hơn, độ xác cao hơn) 19 ...Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống GVHD: Trần Quang Việt I Thiết kế hệ thống giải mã tín hiệu DTMF: Để quay số đường dây điện thoại, ta sử dụng tín hiệu DTMF Mỗi số mã hóa thành phần tần... cộng tín hiệu lại tạo thành tín hiệu DTMF hồn chỉnh, tín hiệu đưa vào hệ thống xử lý Ngồi ra, hệ thống ngõ vào điện áp so sánh , biểu diễn dạng khối Constant 12 Mini-project mơn Tín Hiệu Hệ Thống. .. Display để xác định giá trị ứng với ngõ ra, hệ thống xác ngõ lên giá trị tần số có tín hiệu DTMF, ngược lại ngõ có giá trị II.2 Hệ thống xử lý tín hiệu DTMF: Hệ thống gồm có ngõ vào, khối tạo hàm truyền