Băng lọc số và ứng dụng

Băng lọc số và ứng dụng Băng lọc số và ứng dụng Băng lọc số và ứng dụng luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

Bộ Giáo Dục Đào tạo Trường Đại Học Bách khoa hµ néi Luận Văn thạc sĩ khoa học băng lọc số ứng dụng Ngành : Điện tử viễn thông trần thị thu thuý Người hướng dẫn khoa häc: PGS.TS.Ngun Qc Trung Hµ Néi 2006 I Mơc lơc Môc lôc I Danh môc kí hiệu, chữ viết tắt IV Danh mục hình vẽ đồ thÞ V Mở đầu Ch−¬ng I: giới thiệu khái niệm .3 1.1 Giới thiệu khái niÖm 1.1.1 Tình hình phát triển 1.1.2 Các ứng dụng hớng nghiên cứu thời 1.1.3 C¸c kh¸i niƯm 1.1.3.1 Kí hiệu hàm liên hợp 1.1.3.2 Kí hiệu ~ liên hợp nghịch Praconjugate 1.1.3.3 Ma trËn vµ hµm ma trËn 1.1.3.4 Hàm truyền đạt không đệ qui FIR 1.1.3.5 C¸c th«ng sè cđa bé läc .10 1.1.3.6 C¸c kÝ hiƯu cho bé läc QMF 10 1.3.7 Tính liên tục giải tích 11 1.1.3.8 TÝn hiệu ngẫu nhiên trình ngẫu nhiên .11 1.2 Tổ chức luận văn 13 Chơng II : Hệ thống nhiều nhịp 14 2.1 PhÐp ph©n chia lọc phân chia .14 2.2 PhÐp néi suy vµ bé läc néi suy 20 2.3 Thay đổi nhịp lấy mẫu lọc biến đổi nhịp lấy mẫu với hệ số M/L không nguyên 24 2.4 Phân hoạch nhiều pha 29 2.4.1 Phân hoạch nhiều pha hai thành phần 29 2.4.2 Phân hoạch nhiều pha M thành phần 31 2.4.3 Ph©n ho¹ch nhiỊu pha lo¹i 32 2.4.4 CÊu tróc nhiỊu pha lọc biến đổi nhịp lấy mẫu 34 Chơng III: Băng lọc số 39 II 3.1 Băng lọc phân tích 39 3.1.1 CÊu tróc băng lọc phân tích 39 3.1.2 BiƠu diƠn nhiỊu pha ®èi với băng lọc phân tích 40 3.2 Băng lọc số tổng hợp 41 3.2.1 Cấu trúc băng lọc số tổng hợp 41 3.2.2 BiƠu diƠn nhiỊu pha loại băng lọc số tổng hợp 41 3.3 Băng lọc DFT đồng 42 3.4 Băng lọc gơng cầu phơng QMF .44 3.4.1 CÊu tróc băng lọc nhiều nhịp hai kênh băng lọc gơng cầu phơng QMF .44 3.4.2 Phân tích băng lọc QMF kênh 45 3.4.2.1 BiĨu thøc cđa tÝn hiƯu kh«i phơc xˆ (n) 45 3.4.2.2 Khử thành phần h danh 46 3.4.2.3 MÐo biên độ méo pha .48 3.4.3 Băng lọc số hai kênh kh«ng cã h− danh .49 3.4.4 Biễu diễn theo phân hoạch nhiều pha băng lọc số QMF 50 3.5 Băng lọc số nhiều nhịp M kênh 51 3.5.1 Cấu trúc băng lọc nhiều nhịp M kênh 51 3.5.2 Biểu thức tín hiệu đợc khôi phôc xˆ (n) .52 3.5.3 Biểu diễn nhiều pha băng lọc số nhiều nhịp M kênh 53 3.6 Hệ thống khôi phục hoàn hảo 55 3.6.1 Hệ thống khôi phục hoàn hảo hai kªnh: .55 3.6.2 Hệ thống khôi phục hoàn hảo M kênh đơn giản 57 3.6.3 HƯ thèng kh«i phục tín hiệu hoàn hảo M kênh tổng quát 57 3.7 Băng lọc giả QMF điều chế COSIN 58 3.8 M¹CH läc thÝch nghi 63 3.8.1 Kh¸i niƯm m¹ch läc thÝch nghi 63 3.8.2 CÊu tróc cđa m¹ch läc thÝch nghi 64 3.8.3 M¹ch läc WIENER FIR .65 3.8.4 Thuật toán toàn phơng trung b×nh tèi thiĨu (LMS) 67 Ch−¬ng IV: Mét sè øng dơng .70 4.1 KÜ thuËt ghÐp kªnh .70 III 4.1.1 Ghép kênh phân thời gian TDM (Time Division Multiplex) 70 4.1.2 Tách kênh phân thêi gian 70 4.1.3 Ghép kênh phân tần số 71 4.1.4 Tách kênh phân tần số 71 4.1.5 Chun ®ỉi ghÐp kªnh 72 4.2 C¸c hƯ thèng Audio sè 72 4.2.1 Nén liệu âm 75 4.2.2 Giíi thiƯu chuẩn mà hoá tín hiệu âm MPEG 78 4.3 ứng dụng băng lọc thích nghi 81 4.4 øng dơng m· ho¸ band kÜ tht nÐn ¶nh 83 4.4.1 Giíi thiƯu chung vỊ nÐn ¶nh sè 83 4.4.2 Các loại kĩ thuật nÐn ¶nh 84 4.4.3 KÜ tht nÐn ¶nh cã tỉn hao 86 4.4.3.1 Kĩ thuật mà hoá dựa phép biến đổi DCT 86 4.4.3.2 KÜ thuËt m· hoá băng 90 4.4.3.4 Kĩ thuật nén ảnh dựa phép biÕn ®ỉi DWT 95 4.5 KÕt luËn: .98 KÕT LUËN 99 Tài liệu tham khảo 100 Phô lôc i IV Danh mơc c¸c kí hiệu, chữ viết tắt Viết tắt Nghià tiếng Anh NghÜa tiÕng ViƯt DSP Digital Signal Processing Xư lÝ sè tÝn hiƯu DWT Discrete Wavelet Transform BiÕn ®ỉi wavelet rêi rạc DTFT Discrete Time Fourier Transform Biến đổi Fourier thời gian rời rạc DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc nghịch đảo DCT Discrete Cosine Transform Biến đổi Cosin rời rạc FIR Finite Impulse Response Bộ lọc không ®Ö qui IIR Infinite Impulse Response Bé läc ®Ö qui RP Random process Quá trình ngẫu nhiên PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất LTI Linear Time Invariable HÖ thèng bÊt biÕn tuyÕn tÝnh QMF Quadrature Mirror Filter bank Băng lọc số gơng cầu phơng MPU Multiplications Per Unit time Số phép nhân đơn vị thời gian APU Addition Per Unit time Sè phÐp céng đơn vị thời gian PR Perfect Reconstruction Phục hồi hoàn hảo TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân thời gian FDM Frequency Division Multiplex Ghép kênh phân tần số RP Random process Quá trình ngẫu nhiên PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất SBC Subband codding Mà hoá band MRA Multi Resolution analysis Phân tích đa phân giải JPEG Joint Photographic Experts group Chuẩn nén ảnh cđa ủ ban JPEG qc tÕ MSE Mean Square Error Sai số bình phơng trung bình SPIHT Set partitioning in hierarchical trees Phơng pháp mà hoá phân cấp theo vùng PSNR Peak Signal to Noise Ratio Tû sè tÝn hiÖu đỉnh nhiễu EZW Embedded Zerotree Wavelet Wavelet zero V Danh mục hình vẽ đồ thị Hình 1.1 Phỉ cđa tÝn hiƯu x[n] H×nh 1.2 Bé läc sè QMF kªnh Hình 2.1 : Sơ đồ phân chia 14 Hình 2.2 Sơ đồ phân chia dạng không chuẩn hoá 14 Hình 2.4 Sơ đồ phân chia 16 H×nh 2.5 Sơ đồ lọc phân chia 17 Hình 2.6 Sơ đồ thùc hiƯn phÐp ph©n chia läc 18 Hình2.7 Sơ đồ nội suy 20 Hình 2.8 Sơ đồ tín hiệu vào nội suy dạng không chuẩn hoá 20 Hình 2.9 Sơ đồ nội suy miền Z 20 H×nh 2.10 Sơ đồ tổng quát lọc nội suy 21 Hinh 2.11 Sơ đồ tơng đơng hai phép lọc nội suy 23 Hình 2.12 Sơ đồ biến đổi nhip 24 Hình 2.13 Bộ lọc biến đổi nhịp lấy mẫu với hệ số M/L không nguyên 27 Hình 2.14 Sơ đồ khối lọc biến đổi nhịp lấy mẫu 28 Hình 2.15 Sơ đồ cấu trúc nhiều pha hai thành phần 31 H×nh 2.16 CÊu tróc nhiỊu pha M thành phần 32 Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc nhiều pha loại 33 H×nh 2.18 CÊu tróc nhiỊu pha cđa bé läc ph©n chia 34 H×nh 2.19 CÊu tróc nhiỊu pha cđa bé läc ph©n chia 35 H×nh 2.20 CÊu tróc nhiỊu pha cđa bé läc néi suy 35 H×nh 2.21 CÊu tróc nhiỊu pha cđa bé läc néi suy 35 Hình 2.22 Sơ đồ lọc biến đổi nhịp hệ số M/L không nguyên 36 Hình 2.23 Cấu trúc nhiều pha loại lọc biến đổi nhịp hệ số M/L 37 Hình 2.24 Cấu trúc nhiều pha loại M thành phần 37 Hình 2.25 Cấu trúc nhiều pha loại L thành phần 37 Hình 2.26 Cấu trúc nhiều pha loại hai L thành phần 38 VI H×nh 3.1 CÊu tróc cđa băng lọc phân tích 39 Hình 3.2 Cấu trúc nhiều pha loại băng lọc phân tích 41 Hình 3.3 Cấu trúc băng lọc số tổng hợp 41 H×nh 3.4 Đáp ứng tần số băng lọc DFT kênh 43 H×nh 3.5 CÊu tróc băng lọc số nhiều nhịp hai kênh 44 Hình 3.6 Băng lọc số QMF kênh dới dạng cấu trúc hai pha 51 Hình 3.7 Cấu trúc băng lọc số nhiều nhịp M kênh 51 Hình 3.8 Cấu trúc nhiều pha băng lọc số M kênh 54 H×nh 3.9 CÊu trúc nhiều pha băng lọc số M kênh dạng đơn giản hoá 55 Hình 3.10 Băng lọc khôi phục hoàn hảo kênh 56 Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc dàn lọc QMF M kênh khôi phục hoàn hảo 57 Hình 3.12 Đáp ứng biên độ lọc Prototype P0 (z) mạch lọc phân tích điều chế cosin 59 Hình 3.13 Giản đồ khối toán lọc thống kê 63 Hình 3.14 CÊu tróc cđa mét m¹ch läc ngang thÝch nghi FIR 64 H×nh 3.15 CÊu tróc cđa mét tỉ hỵp tun tÝnh thÝch nghi 65 Hinh 3.17 CÊu tróc cđa mét m¹ch läc ngang thÝch nghi 67 H×nh 4.1 Bộ ghép kênh phân thời gian 70 Hình 4.2 Sơ đồ mô tả tổng quát tách kênh phân thời gian 70 Hình 4.3 Mô tả cấu trúc ghép kênh theo tần số 71 Hình 4.4 Sơ đồ tổng quát tách kênh phân tần số 71 Hình 4.5 Bộ chuyển đổi ghép kênh TDM -> FDM -> TDM 72 H×nh 4.6 Sơ đồ khối trình lọc nhiễu 73 Hình 4.7 Minh hoạ phỉ tÇn sè 73 Hình 4.8 Sơ đồ khối trình lọc nhiễu dải tần dùng lọc số 73 Hình 4.9 Minh hoạ phổ tần số tín hiệu hình 4.7 74 Hình 4.10 a) Cấu trúc tầng dàn lọc QMF phân tích kênh 76 b) Sơ đồ tơng đơng 76 VII Hình 4.11 Đáp ứng biên độ dàn lọc QMF kênh 77 Hình 4.12 a) Tín hiệu âm lối vào b) Tín hiệu âm lối 78 Hình 4.13 Giản đồ SBC 78 H×nh 4.14 CÊu tróc cđa khung theo tiªu chn MPEG-1 audio layer 79 H×nh 4.15 CÊu tróc cđa khung theo tiêu chuẩn MPEG -1 audio layer 80 Hình 4.17 Sơ đồ khối hệ thống thông tin sử dụng cân thích ứng máy thu 82 Hình 4.18 Sơ đồ khái quát hệ thèng nÐn ¶nh 84 Hình 4.19 Sơ đồ mà hoá theo tiêu chuẩn JPEG 88 Hình 4.20 Sơ đồ giải mà theo tiêu chuẩn JPEG 88 Hình 4.21 Sơ đồ khối minh hoạ trình nén khôi phục ảnh phơng pháp mà hoá band 92 Hình 4.22 Quá trình phân ly băng bát phân 93 Hình 23 Phân li hai ảnh mẫu thành bốn băng 94 Hình 4.24 Tỷ số tín hiệu nhiễu với hai phơng pháp SBC DCT 94 Hình 4.25 Lỗi trung bình bình phơng với phơng pháp SBC DCT 95 Hình 4.26 : Minh hoạ DWT 1D 97 Hình 4.27 Minh hoạ DWT 2D 97 Hình 4.28 Minh hoạ DWT kiểu dyadic mức để nén ảnh 97 Mở đầu Xử lí số tín hiệu công nghệ hàng đầu đà đợc phát triển mạnh mẽ giới Kĩ thuật xử lí tín hiệu nhiều nhịp băng lọc số đợc ứng dụng rộng rÃi nhiều lĩnh vực đà trở thành kĩ thuật then chốt hệ thống thông tin đại ứng dụng tiêu biểu kĩ thuật dùng để nén liệu, loại nhiễu, nhận dạng Cùng với trợ giúp máy tính, ngày đòi hỏi phải có công cụ toán để thu nhận phân tích tín hiệu từ tợng vật lí nh âm thanh, hình ảnh, dao động điện tim, điện nÃo đồ, tín hiệu từ đầu dò chấn động địa chất Việc phân tích bao hàm tiếp cận đợc thông tin chứa tín hiệu để xử lí nh nén, lu trữ, nhận dạng truyền với dung lợng nhớ tốc độ truyền cao Đồng thời tổng hợp, xÊp xØ d·y tÝn hiƯu gèc cµng nhiỊu cµng tèt để tái tạo lại tín hiệu tợng vật lí Kĩ thuật lọc số nhiều nhịp băng lọc ngày đợc ứng dụng nhiều nhiỊu lÜnh vùc xư lÝ sè tÝn hiƯu, cã thĨ dùng tăng tốc độ tính toán lọc số cách giảm số phép nhân phải thực giây Kĩ thuật lọc số nhiều nhịp băng lọc đợc nghiên cứu ứng dụng nhiều năm gần đà thu đợc nhiều kết quan trọng áp dụng viễn thông, xử lí tiếng nói, xử lí hình ảnh, kĩ thuật audio số Bản luận văn đợc hoàn thành không dựa cố gắng nỗ lực thân mà đợc bảo đóng góp giúp đỡ cá nhân sau: Trớc hết xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Quốc Trung - Trởng Khoa Điện tử viễn thông - Trờng Đại học Bách khoa Hà nội đà hớng dẫn, giúp đỡ trình làm luận án Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy cô giáo Trờng Đaị học Bách khoa Hà nội đà truyền đạt kiến thức làm tảng cho thực đề tài nghiên cứu Vì thời gian có hạn nh lực nghiên cứu hạn chế nên tránh khỏi sai sót luận văn Để nghiên cứu hoàn thiện nh nâng cao lực nghiên cứu nữa, mong nhận đợc góp ý thầy giáo, bạn đồng nghiệp quan tâm đến đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà nội ngày tháng 11 năm 2006 Trần thị thu Thuý i Phụ lục Chơng trình thiết kế Chơng trình minh hoạ trình tăng giảm tốc độ mẫu %minh hoa qua trinh giam,tang toc mau clf; N=100; M=2; f1=0.043; f2=0.031; n=0:N-1; %phat day loi vao x=sin(2*pi*f1*n)+sin(2*pi*f2*n); %phat day loi da duoc giam toc mau y1 = decimate(x,M,'fir'); y2=interp(x,M); figure(1); subplot(3,1,1); stem(n,x(1:N)); title('day loi vao');ylabel('bien do'); subplot(3,1,2); m=0:N/M-1; stem(m,y1(1:N/M)); title('day giam toc mau he so 2');xlabel('n');ylabel('bien do'); subplot(3,1,3); m=0:N*M-1; stem(m,y2(1:N*M)); title('day tang toc mau he so 2');xlabel('n');ylabel('bien do'); ii day loi vao bien -2 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 40 45 50 160 180 200 day giam toc mau he so bien -2 10 15 20 25 30 35 n day tang toc mau he so 20 40 60 80 bien -2 100 n 120 140 2.Chơng trình thiết kế băng lọc DFT đồng - kênh.Với mạch lọc prototype mạch lọc thông thấp có tần số mép dải thông p=0.15 tần số mép dải chặn s = 0.25 clf; %thiet ke mach loc prototype fir thong thap b = remez(23,[0 0.20 0.25 1],[1 0],[10 1]); w= 0:2*pi/255:2*pi; n= 0:23; for k = 1:4; c= exp(2*pi*(k-1)*n*i/4); FB = b.*c; HB(k,:) = freqz (FB,1,w); end %ve dap ung bien cua moi mach loc figure(1) iii subplot(5,1,1); plot(w/pi,abs(HB(1,:))); xlabel('\omega/pi'); ylabel('Amplitude'); title('Chanel No.1'); axis([0 1.1]); subplot(5,1,2); plot(w/pi,abs(HB(2,:))); xlabel('\omega/pi'); ylabel('Amplitude'); title('Chanel No.2'); axis([0 1.1]); subplot(5,1,3); plot(w/pi,abs(HB(3,:))); xlabel('\omega/pi'); ylabel('Amplitude'); title('Chanel No.3'); axis([0 1.1]); subplot(5,1,4); plot(w/pi,abs(HB(4,:))); xlabel('\omega/pi'); ylabel('Amplitude'); title('Chanel No.4'); axis([0 1.1]); subplot(5,1,5); plot(w/pi,abs(HB(1,:)),'r','LineWidth',1);hold on; plot(w/pi,abs(HB(2,:)),'b','LineWidth',1);hold on; plot(w/pi,abs(HB(3,:)),'k','LineWidth',1);hold on; plot(w/pi,abs(HB(4,:)),'m','LineWidth',1); xlabel('\Omega/pi'); ylabel('Amplitude'); axis([0 1.1]); iv 0.5 0.2 0.4 0.6 0.8 1.2 1.4 1.6 1.8 0.2 0.4 0.6 1.2 1.4 1.6 1.8 1.2 ω /pi Chanel No.4 1.4 1.6 1.8 0.8 Amplitude ω /pi Chanel No.3 0.5 0.5 Amplitude ω /pi Chanel No.2 Amplitude Amplitude Amplitude Chanel No.1 0.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.2 0.4 0.6 0.8 ω /pi 1.2 1.4 1.6 1.8 0.2 0.4 0.6 0.8 Ω /pi 1.2 1.4 1.6 1.8 0.5 Thiết kế băng lọc FIR QMF pha tuyến tính cho băng lọc QMF kênh không chång phỉ, m¹ch läc QMF Johnton %dap ung tan so cua dan loc QMF Johnston; B1=[-0.006443977,0.02745539,-0.00758164,-0.0913825,0.09808552,0.4807962]; B1= [B1 fliplr(B1)];% tao cac he so doi xung cua mach loc H0 w=0:2*pi/255:2*pi; %phat mach thong cao bu L= length(B1);disp(L) for k = 1:L B2(k)= ((-1)^k)*B1(k);% cac he so cua mach loc H1 end %tinh dap ung bien cua hai mach loc v [H1z,w] = freqz(B1,1,256); h1= abs(H1z); g1= 20*log10(h1); [H2z,w] = freqz(B2,1,256); h2 = abs(H2z); g2 = 20*log10(h2); %ve dap ung bien cua mach loc figure(1); plot(w/pi,g1,'-',w/pi,g2,'r-','LineWidth',1); grid; xlabel('\omega/\pi'); ylabel('biendo,dB');title('Dap ung tan so cua bo loc QMF Johnston');legend('H0','H1'); %Tinh tong cac dap ung binh phuong bien for i = 1:256 sum(i) = (h1(i)*h1(i)) + (h2(i)*h2(i)); end d = 10*log10(sum); % Ve su meo dang bien figure(2) plot(w/pi,d); grid; xlabel('\omega/\pi'); ylabel('Su meo dang bien do, dB'); Dap u n g ta n s o c u a b o lo c Q MF Jo h n s to n 10 H0 H1 -10 biendo,dB -20 -30 -40 -50 -60 -70 0 ω /π 0.7 vi Chơng trình minh hoạ tín hiệu audio qua băng lọc đa phân dải QMF kênh nh hình 4.9 chơng Đầu băng vùng tần sè 0875Hz; 875Hz - 1750Hz; 1750Hz - 3500Hz; 3500Hz - 5250 Hz; 5250 Hz-7000Hz sau khôi phục lại băng lọc tổng hợp %Minh hoa tin hieu audio qua bang loc QMF cau truc da phan giai clear; clf; % doc tep am [filename,path]=uigetfile('.wav','Hay chon tep am thanh'); %cd('D:/luanvan/ctmatlab'); cd(path);disp(path) [fid,mesage]=fopen(filename,'r'); disp(mesage) archive=fread(fid); archwr=archive; siz = wavread(filename,'size') if siz(1) >100000 [y,Fs,nbit]= wavread(filename,100000); else [y,Fs,nbit]= wavread(filename); end disp ('frequency of sampling [hz])');disp(Fs);% Tan so lay mau am Fs tinh theo don vi hz disp(nbit);% So bit duoc ma hoa tren mot mau length_original = length(y);size(y);% Kich thuoc cua file am disp('length(bytes) = '); disp(length(y)); %%%%%%%%%%%%%%%% figure(1); subplot(2,1,1); plot(y); title('Tin hieu am loi vao');%y la toan bo du lieu sau lay mau va ma hoa subplot(2,1,2); vii Yk= fft(y,256); %k=0:255; %stem(k,abs(Yk)); grid; pxx=Yk.*conj(Yk)/256; f=Fs/256*(0:127); plot(f,pxx(1:128));title('mat cong suat'); pause(1); sound (y,Fs) %chay file am chua qua bo loc %%%%%%%%%%%%%%% %Xay dung bo loc Prototype H0 > bo loc ban dai N=30; % Do dai cua bo loc prototype Ho div= 0.1; % Buoc bat dau tim tan so cat eval = exp(j*pi*(0:N-1)/2);%luy thua duoc danh gia tai w= n*pi/2 freq=0.5;% tan so cat ban dau target = 1/sqrt(2);% bien can dat duoc tai pi/2 diff = 1;% gia tri sai khac ban dau while diff > 0.0001 h0=fir1(N-1,freq,blackman(N)); % tim cac he so cua bo loc su dung cua so black man measure=abs(eval*h0'); diff = abs(target- measure); if measure