Xử lý tín hiệu thời gian thực sử dụng TMS320C6416T DSK. Đề tài mã số QT-07-18

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN ********* XỬ LÍ TÍN HIỆU THỜI GIAN THựC s DỤNG TMS320C6416T DSK (Real-time signal processes using TMS320C6416T) MÃ SỐ: QT-07-18 CHU TRi ĐÊ TÀI : THS ĐÔ TRUNG KIÈN CÁC CÁN BÔ THAM GIA: THS NGUYỄN ANH ĐỨC < N LÊ QUANG THẢO CN PHẠM VÃN THÀNH • Q U Ố C SIA HÀ NĨI j : \ c - , T Ã V TH C N G ’ IN T H Ư V Ẻ N D 71 M HÀ NỘI - 2007 - Báo cáo tóm tát (tiếng Việt) a Tén dề tài, mã sô Xử lý tín hiệu thời gian thực sử dụng T M S320C6416T DSK Mã sơ : QT-07-18 b Chủ trì đề tài ThS ĐỖ Trung Kiên, Khoa Vật lý, Tnrờng ĐHKHTN c Các cán tham gia ThS Nguyễn Anh Đức CN Lẻ Quang Thảo CN Phạm Văn Thành d Mục tiêu nội dung nghiên cứu Xây dựng hệ lọc số tín hiệu thời gian thực thực bo mạch TMS320C6416T e Các kết đạt ■ 01 báo cáo Hội nghị Khoa học Đại học Sư phạm 2, 2007: Bộ lọc số radar FIR/IIR xử lí thời gian thực sử dụng bo mạch TMS320C6416T DSK ■ 01 hệ xử lí tín hiệu thời gian thực sử dụng bo-mạch DSP TMS320C6416T ■ 01 khóa luận tốt nghiệp sinh viên khóa K48, 2007 f Tình hình kinh phí đề tài: Đã tốn hét kinh phí đề tài Chi phí hết kinh phí tạm ứng đề tài là: 20.000.000VNĐ Th khốn chun mơn: 12.000.000VNĐ Dịch vụ Internet 1.100.000VNĐ Mua sắm vật tư, linh kiện điện tử 3.757.000VNĐ Seminar khoa học 500.000VNĐ Chi phí điện, nước, sờ vật chất 800.000VNĐ Quản lý phí 800.000VNĐ KHOA QUẢN LÝ CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI TS Nguyễn Thẻ Bình ThS Đỗ Trung Kiên TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN • Mlậu TRƯĨNÙ Summary (by English) a Project, code R eal-tim e sign al p rocesses using T M S C 6 T Code : QT-07-18 b Main responsible person MS Do Trung Kien, Faculty of Physics, Hanoi University of Science (HUS), Hanoi National University c Incorporated members MS Nguyen Anh Due BA Le Quang Thao BA Pham Van Thanh d Purposes and contents Design the real-time filters using the TMS320C6416T e Results • 01 report of Science Conference of Hanoi Pedagogical University N"2 Radar real-time filters using board TMS320C6416T DSK • Design 01 real-time filters system ■ 01 thesises of undergraduated student K48, 2007 MỤC LỤC Mục lụ c Bảng giải từ quan trọng viết tắt Mục tiêu đề tà i Các kết Kĩ thuật lọc số (Digital filters) Lọc FIR I I R 10 Thiết kế lọc TMS320C6416T DSK [2 ] 12 Kết thực n g h iệ m .14 Kết luận - 18 Tài liệu tham khảo 19 Phụ lục 20 Tóm tắt cơng trình NCKH cùa cá n h ân 32 Scientific p ro je c t 33 Phiếu đăng ký kết nghiên cứu KH-CN 34 BẢNG CHÚ GIẢI Từ QUAN TRỌNG YÀ VIÊT TẮT DSP FIR IIR LPF HPF BPF BSF Digital Signal Processing - x lí tín hiệu số Finite Impulse Response - Đáp tuyến xung hữu hạn InFinite Impulse Response - Đáp tuyến xung vô hạn Low Pass Filter - Bộ lọc thông thấp High Pass Filter - Bộ lọc thông cao Band Pass Filter - Bộ lọc dải thông Band Stop Filter - Bộ lọc dải chặn MỤC TIÊU ĐỂ TÀI Kĩ thuật xử lí tín hiệu thời gian thực kĩ thuật thiết yếu mảng xử lí tín hiệu Có hai phương pháp để xử lí tín hiệu: xử lí tín hiệu thời gian thực (real-time procesing per-sample processing) xử lí tín hiệu khối (block processing) Với xử lí khối tín hiệu mẫu tín hiệu thu thập vào mảng lưu trữ hệ đo Khi đủ số mẫu cẩn thiết hệ thống phần cứng phần mềm tải để xử lí Ngược lại, xử lí tín hiệu thời gian thực thu thập mẫu tín hiệu nào, hệ xử lí tín hiệu Ưu điểm xử lí tín hiệu thời gian thực hệ có đáp ứng gần tức thời với tín hiệu, đảm bảo yêu cầu cho hệ đo lường điều khiển Nhưng để xây dựng hệ real-time này, đòi hỏi linh kiện điện tử phần mềm tương ứng phải thỏa mãn yêu cầu nhanh xác Cơng việc chúng tơi tập trung vàọ nghiên cứu kĩ thuật lọc real-time, thực bo mạch xử lí tín hiệu số chuyên ồụng TMS320C6416T cùa hãng Texas Instrument Tần số hoạt động bo mạch cao hoàn toàn đáp ứng yêu cầu đề mục tiêu đề tài Các kĩ thuật lọc đáp tuyến xung hữu hạn (FIR) lọc đáp tuyến xung vô hạn (IIR) triển khai đa dạng có độ íin-cậy cao ,f Cuối cùng, tơi xin trân trọng cảm ơn Đại học Quốc gia Hà nội, Ban Giám hiệu, Phịng Khoa học Cơng nghệ, Phịng Kế hoạch tài vụ, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên giúp đỡ tạo điều kiện mặt tài thủ tục khác Irong suốt thời gian làm đề tài Xin trân trọng cảm ơn PHIẾU ĐẢNG KÝ KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u KH-CN Tên đề tài (hoặc dự án): XỬ LÍ TÍN H IỆU TH ỜI GIAN T H ựC s DỤNG T M S320C6416T DSK Mã số: (Real-time signal processes using TM S320C6416T) QT 07-18 Cơ quan chủ trì đề tài (hoặc dự án): TRUỒNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHEÊN Địa chỉ:334 Nguyên Trãi, Thanh Xuân, Hà nội Cơ quan quản lý đề tài (hoặc dự án): ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI Địa chỉ:144 đường Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội 20.000.000 đồng Tổng kinh phí thực chi: Trong đó: - Từ ngân sách Nhà nước 20.000.000 - Kinh phí trường: - Vay tín dụng: - Vốn tự có: - Thu hổi: Thời gian nghiên cứu: 2007 Thời gian bắt đầu: Thời gian kết thúc: Tên cán phối hợp nghiên cứu: ThS Nguyễn Anh Đức Bộ môn Vặt lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, ĐHKHTN Lê Quang Thảo Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, ĐHKHTN Phạm Văn Thành Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, ĐHKHTN Sô đăng ký đề tài Sô chứng nhận đãng ký Bảo mật: a Phổ biến rộng rãi: X kết nghiên cứu: b Phổ biến hạn chế: Ngày: c Bảo mật: Tóm tắt kết nghiên cứu: ❖ Tìm hiểu kĩ thuật xử lí tín hiệu số thời gian thực, cụ thể lọc số 34 CÁC KẾT QUẢ CHÍNH K ĩ THUẬT LỌC SỐ (DIGITAL FILTERS) Tín hiệu sơ' x(n) khác với tín hiệu tương tự x(t) khơng phải đường cong tín hiệu liên tục mà tín hiệu liên tục bị lượng tử hóa lấy mẫu đặn theo thời điểm tạo thành mảng số liệu x(n), với n số thứ tự mẫu lấy Việc xử lí tín hiệu số đặc biệt quan trọng hầu hết hệ thống xử lí có nhu cầu gắn kết vói máy tính, mà máy tính ta biết, thơng tin liệu dạng nhị phân Hơn nữa, bo mạch xử lí sơ' ngày trở nên phổ biến hiệu Lọc số phần quan trọng chuỗi mạch xử lí tín hiệu số hệ thống radar đại, lọc tích cực (matched filter), lọc quét trước ịprescan filter), lọc trung tần (IF filter) Các lọc chia thành số loại như: lọc thông thấp (low pass filter - LPF), lọc thông cao (high pass filter - HPF), lọc dải thông (band pass filter - BPF), lọc chặn (band stop filter - BSF) (hình 1) Bộ lọc sử dụng với hai mục đích chính: (1) tách sơ' tín hiệu hữu ích từ tín hiệu phức tạp, (2) khôi phục lại tín hiệu bị méo dạng số lí Hình 1.1 Bốn dạng lọc Có hai cách để biểu diễn thơng tin chứa tín hiệu: tín hiệu miền thời gian (time domain) tín hiệu miền tần số ựrequency domain) Miền thời gian: Mỗi mẫu tín hiệu cho biết xảy vào thời điểm lấy mẫu, bàn thân chứa đựng thông tin, không cần phải dùng thêm mẫu khác kế cận đê giải thích ý nghĩa Thậm chí, ta có mảu nhất, ta biết Đây phương pháp đơn giản để biểu diễn tín hiệu Miền tẩn số: Có nhiều đại lượng đạc có tuần hồn, có chu kì số Lúc này, việc phân tích tính chất tần số cùa tín hiệu lại quan trọng Lúc điểm mẫu túi hiệu miền tần sô' không tự chứa đựng thơng tin tính tuần hồn Thơng tin tín hiệu chứa đựng mối quan hệ điểm tín hiệu Lúc đó, có khái niệm đáp tuyến bước (step response) đáp tuyến tần số {frequency response) Đáp tuyến bước miêu tả tín hiệu miền thời gian bị biến đổi thê sau bị lọc xử lí Tương tự, đáp tuyến tần số cho biết tín hiệu miền tần sơ' bị biến đổi qua lọc xử lí Sự phân biệt hai đáp tuyến bước đáp tuyến tần số quan trọng thiết kế lọc làm tối ưu hai Một kết tốt đáp tuyến bước khơng tạo kết tốt miền tần số Vì thế, tùy theo yêu cầu ứng dụng cụ thể lọc, thiết kế cho đáp tuyến cần thiết tốt Mơt sơ tính chất bơ loc Xét tham sô' lọc miền thời gian (time domain parameters): Các tham số lọc miền thời gian cho biết phản ứng tín hiệu qua lọc theo mẫu đo liên tiếp thời điểm cùa trục thời gian Thời gian chuyển (Risetime): Để phân biệt kiện xảy tín hiệu q trình chuyển biến mẫu lọc mẫu không lọc phải nên xảy thời gian ngắn tốt, đảm bảo khả phân giải kiện xảy thời gian mẫu chuyển Tất nhiên thời gian chuyển khơng thể nhanh tức thời mà ngắn tốt cịn bị giới hạn thời gian phản ứng linh kiện, thời gian lần lấy mẫu không nên nhanh để tránh hiệu ứng xuyên kênh (aliasing) (hlnh 1.2a,b) Vượt ngưỡng (Overshoot): Sự vượt ngưỡng lọc cần loại trừ lọc xảy tượng làm méo dạng tín hiệu mẫu bị vượt ngưỡng Và lọc bị tình trạng này, khơng thể phân biệt điểm vượt ngưỡng lọc gây hay điểm mẫu dị thường kiện tín hiệu có (hình 1.2c,d) Tuyến tính pha (phase linearity): Sự tuyến tính pha xem đối xứng phần đáp tuyến bước với phần đáp tuyến bước, đảm bảo việc chuyển bước bình đẳng cho mẫu gần sát phía bên trái với mẫu gần sát phía bên phải (hình 1.2e,f) Xét tham số lọc miền tần số (frequency domain parameters): Đáp tuyến miền tần số cho hình ảnh rõ nét phản ứng cùa lọc cho phép qua số dải tần số cấm dải tần số cịn lại Vì thế, có tham số cần ý, thể hình 1.3 Roll-off: Đe phán lath CiÍL tân /hút fast roll-off so chi) qiki va kliõnư ch.) ụiid mội cách '-hình xác, cần có tính I'ass-band ripple: Đe cho thành phân tan só lĩiièn dái truyèn qua (pass-hand) nhãn với sò nhau, yêu càu càn khử gợii sỏne (ripple) iniển dải thông Stopband attenuation: Sự suy giám mìén chặn (stop-banđ i phái triệt đế đế kliỏng bị nhầm lẫn với miền truyền qua ■POOR : c Overshoot ! ! L r ~ ! '1 { fl -11 I; 1' - / 1I ^ II 11 11 1 - L Sample number _ - i1 1I' ■ e Nonlinear phase ! I1 1iI fJT I1 i ■ t -Ị-?■ ■ ■-, ■ - - ■- H J Ỉ1 — I !I i1 -j -16 Sample number H m h M o l Ml tin li 1.1 ! I I m i !> i;m c l u n t II 32 4* Sample number c h a t ru i 1)0 l o c t r o n e m i e n tlnri ” ia n c d I >->ôã V| V Hình ỉhành khái niệm lục rría ^ât titrậ Bài tập vật lý phương pháp dạy học jL lý có hiệu trường phổ thơng Tuy nhiên, chức hìnhi thức cùa chưa ý mức Bài báo trình bày mí hình thành khái niệm lực ma sát tnxợt giải tập đấỊ vật lý lớp 10 THPT Thực nghiộm sư phạm xác nhận: chất lượngi tập cùa học sinh nâng cao rõ rệt Bộ lọc Số radar FIR/IIR xử lí thơi gian thực sử dụng tìỂÊỈ TMS320C6416TDSK ^ Đ ổ Trung Kiên, Thản Thanh Anh Tuấn, Phạm Trường Đ H KHTN, Bạchi Đại học Cõng nghệ, Kết cùa báo cáo trình bày việc nghiên cứu xâj lọc đáp tuyến xung chiéu dài hữu hạn FIR, lọc đáp tttỹl xung chiều dài vô hạn ỈIR xử lí thời gian thực hệ thõng xư lĩ t 57 .r Hộl Ị - 0 - V* -Tt* i • r s * a '.* * - - - jỵ*-' hiệi hãng Texas Instrument Cac chương trình ma nguĐ ại học C ông nghệ Đ ại học Q uốc gia H nội Tóm tát Kết báo cáo trình bày việc nghiên cứu xây dựng lọc đáp tuyến xung chiều dài hữu hạn FIR, lọc đáp tuyến xung chiều dài vơ hạn ỈIR xử lí thời gian thực hệ thống xử lí tín hiệu số radar đại, thực bo mạch TMS320C6416T DSK hãng Texas Instrument Các chương trình mã nguồn viết với trợ g iú p phần mềm Matlab SPtool để c tạo tập hệ số cho lọc Điểm thú vị lọc là, cần thay đổi tập hệ sô' chương trình mã nguồn c ta tạo loại lọc khác với đặc trưng tần sơ hồn tồn khác biệt SCIENTIFIC PROJECT BRANCH PHYSICS PR O JE C T CA TEG O RY : NATIONAL LEVEL Title Real-time signal processes using TMS320C6416T Code QT-07-18 Managing Institution Hanoi University of Science Implementing Institution Faculty of Physics, Hanoi University of Science Collaborating Institutions Coordinator MS Nguyen Anh Due BA Le Quang Thao BA Pham Van Thanh Key implementors MS Do Trung Kien Duration: From 04/2007 to 12/2007 Budget 20.000.000VND from Hanoi University of Science 10 Main results: ■ 01 report of Science Conference of Hanoi Pedagogical University NT2 Radar real-time filters using board TMS320C6416T DSK ■ D e s i g n 01 real-time filters system ■ 01 thesises of undergraduated student K48, 2007 11 Evaluation grade 33 * Vận hành triển khai thiết kế lọc số bo mạch TMS320C6416T hãng Texas Instrument •> Thiết kế lọc môi trường mô Matlab Mở nghiên cứu Bộ mơn Vật lí Vơ tuyến kĩ thuật xử lí tín hiệu số Cụ thể: ■ 01 báo cáo Hội nghị Khoa học Đại học Sư phạm 2, 2007: Bộ lọc sơ radar FIR/IIR xử lí thời gian thực sử dụng bo mạch TMS320C6416T DSK ■ 01 hệ xử lí tín hiệu thời gian thực sử dụng bo mạch DSP TMS320C6416T ■ 01 khóa luận tốt nghiệp sinh viên khóa K48, 2007 Kiến nghị vể quy mơ đôi tượng áp dụng nghiên cứu: Kiến nghị Nhà trường Khoa tiếp tục đầu tư kinh phí để vào thiết kế lắp ráp mở rộng phần A/D, D/A tốc độ cao bo mạch FPGA kết nối vào bo mạch TMS320C6416T để có hệ xử lí chuyên dụng Chủ nhiệm đề tài Họ tên Đỗ Trung Kiên T h ù trư n g c q u a n q u ả n lý đ ề tài Ệtõ Puư Cqiy C h ù tịc h H ộ i đ ổ n g đ n h g iá c h ín h th ứ c ì\rQưjjib ỉlũ £(íj T h ù trư n g c q u an ch ú tri đề tài