Chương trình tự động thiết kế mạch lọc số (digital filter design program)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHƯƠNG TRÌNH TỰ ĐỘNG THIẾT KẾ MẠCH LỌC SỐ DIGITAL FILTER DESIGN PROGRAM VÕ DUY LINH CHUYÊN NGÀNH Mà SỐ NGÀNH : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ : 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH tháng 5-2003 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: ThS TỐNG VĂN ON Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐƯC BẢO VỆ TẠI HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày tháng năm 2003 Có thể tìm hiểu luận án Thư viện cao học Trường Đại Học Bách Khoa, Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA YDZ CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc YDZ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Võ Duy Linh Ngày tháng năm sinh: 01 – 03 – 1974 Chuyên ngành : KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ Khóa (Năm trúng tuyển) : 11 (2000) Phái : Nam Nơi sinh: Bến Tre Mã số : I – TÊN ĐỀ TÀI CHƯƠNG TRÌNH TỰ ĐỘNG THIẾT KẾ MẠCH LỌC SỐ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG ƒ Nghiên cứu phương pháp thiết kế mạch lọc số FIR IIR ƒ Thực chương trình mô phỏng, tính toán mạch lọc máy tính ƒ Sử dụng ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL để mô phỏng, kiểm tra máy tính tạo sơ đồnhằm thiết kế phần cứng III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ đề cương) : – 12 – 2002 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ngày bảo vệ luận án tốt nghiệp): V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : ThS TỐNG VĂN ON VI HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT : VII HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CÁN BỘ NHẬN XÉT – – 2003 CÁN BỘ NHẬN XÉT ThS Tống Văn On Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua TRƯỞNG PHÒNG QLKH – SĐH PHÓ TRƯỞNG PHÒNG TPHCM ngày tháng năm 2003 CHỦ NHIỆM NGÀNH Lời cảm ơn Lời cảm ơn Luận văn thực từ tháng 12-2002 đến tháng 5-2003 hướng dẫn trực tiếp, tận tình Thầy Tống Văn On Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành đến y Thầy Tống Văn On tận tình hướng dẫn hoàn thành đề tài y Quý thầy cô Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM truyền đạt kiến thức, dẫn giúp cho hoàn thành luận văn y Các bạn học viên cao học Điện tử – Viễn thông khóa 11 giúp đỡ, trao đổi kiến thức kinh nghiệm trình học lập y Xin cảm ơn gia đình tất bạn bè động viên giúp đỡ suốt thời gian qua TP Hồ Chí Minh tháng năm 2003 Võ Duy Linh HVTH : Võ Duy Linh Tóm tắt TÓM TẮT CHƯƠNG TRÌNH TỰ ĐỘNG THIẾT KẾ MẠCH LỌC SỐ Xử lý số cho loại tín hiệu ngày sử dụng nhiều nhiều lónh vực mà trước tín hiệu tương tự dùng lónh vực khác mà tín hiệu tương tự không áp dụng Xử lý số tín hiệu có tầm quan trọng lớn đời sống xã hội Nó thường ứng dụng nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác như: Điện tử, Tin học, Viễn thông, Đo lường, Điều khiển, ….Ngoài ra, việc sử dụng máy tính số làm phương tiện xử lý số tín hiệu cho phép ta nghiên cứu cách chi tiết trình hệ thống xử lý tín hiệu tương tự phương pháp mô trước thi công hệ thống Bằng cách ta biết trước tính chất hệ thống xử lý tín hiệu tối ưu hóa thông số chúng Bản luận văn thực nhằm khảo sát phương pháp thiết kế Mạch lọc số đại, khảo sát loại mạch lọc FIR IIR, Mô tính toán kết Matlab Không dừng lại đó, với kết thu ta lại tiếp tục mô kiểm tra kết ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL) với công cụ hỗ trợ phần mềm Maxplus-II để có sơ đồ phần cứng nhằm mục đích thiết kế phần cứng Với mục tiêu luận văn chia thành ba phần chính: Phần I phần lý thuyết tổng quát hai loại mạch lọc số FIR IIR, phương pháp thiết kế nay, ưu điểm khuyết điểm hai loại mạch lọc Với mạch lọc FIR phương pháp cửa sổ, phương pháp lấy mẫu tần số phương pháp xấp xỉ tối ưu Với mạch lọc IIR phương pháp thiết kế mạch lọc tương tự sau ánh xạ lọc thánh lọc số tương đương, phương pháp khác thiết kế lọc IIR theo giải thuật tức giải tập phương trình tuyến tính không tuyến tính Phần II chương trình mô tính toán mạch lọc s cho hai loại mạch lọc FIR IIR Matlab Sau kết mô ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL) để chế tạo phần cứng Cuối kết mạch lọc cho hai loại ngôn ngữ Matlab VHDL Phần III phần phụ lục hướng dẫn cách kiểm tra chạy chương trình mô phỏng, tính toán mạch lọc s HVTH : Võ Duy Linh Tóm tắt ABSTRACT DIGITAL FILTER DESIGN PROGRAM There is no general method for dealing with all types of filter because each of them have the computational results different from the others Exact solutions can be found only for certain simple filters but for all types of filter, only computational solution are possible Because there is no general approach, we may take a lot of time to the research or the design of fiter This is the reason why we are going to look forward and find out the general approach for all types of filter Another reason for this problems that modern computers have led to new method for designing and testing digital filter Computer simulation techniques by use digital computers are powerful for analyzing and designing digital filters When the complex of a systems precludes the use of any analytical approach, computer simulations will be the only way to obtain necessary information for design purposes Especially, not only we can simullate digital filters by using computer but also we can design the hardware by VHDL (Very High Speed Intergrated Circuit Hardware Description Language) for these digital filters According to this problems, there are three main parts in this paper: • Part (Theory) includes an overall introduction of the method for designing and testing digital filter We will compare two types of filter FIR and IIR Then we will give the algorithms for all digital filters • Part (Practical) includes the the main software for designing and testing digital filter with some subroutines, functions to design FIR and IIR filters • Part (Results) diplay the calculation about the filter, plotting the frequency respond and architecture hardware based on FPGA Technology HVTH : Võ Duy Linh Mục lục MỤC LỤC Lời cảm ơn Tóm tắt Mục lục Phần I Lý thuyết Chương TỔNG QUAN VỀ LỌC SỐ I Phần mở đầu II Các đặc tính lọc Chương THIẾT KẾ BỘ LỌC FIR I Giới thiệu II Thiết kế lọc FIR có pha tuyến tính sử dụng cửa sổ III Thiết kế lọc lấy mẫu tần số 14 IV Thiết kế lọc theo phương pháp xấp xỉ tối ưu 21 Chương THIẾT KẾ BỘ LỌC IIR I Giới thiệu II Cấu mẫu lọc tương tự thông thấp Bộ lọc Butterworth Bộ lọc Chebyshev Bộ lọc Elliptic III Thiết kế lọc IIR từ lọc tương tự Bất biến xung Biến đổi song tuyến tính IV Các phép biến đổi tần số V Thiết kế lọc dựa phương pháp bình phương nhỏ Xấp xỉ Padé HVTH : Võ Duy Linh 27 27 27 28 32 35 36 37 38 40 41 42 Mục lục Phương pháp Prony Nghịch đảo bình phương nhỏ FIR 43 44 Chương 4: GIỚI THIỆU VỀ VHDL 46 A KHÁI NIỆM VỀ THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 46 46 I Quá trình thiết kế hệ thống số II Ngôn ngữ mô tả phần cứng (HDL) 49 III Công cụ phần mềm hỗ trợ IV Công nghệ FPGA 51 Sự phát triển thiết bị lập trình Cấu trúc FPGA Ứng dụng FPGA Quá trình cài đặt Các loại FPGA B NGÔN NGỮ VHDL I Lịch sử phát triển II Một số đặc điểm VHDL III Cấu trúc ngôn ngữ VHDL Các thuật ngữ Khai báo entity (Entity Declaration) Phần Architecture body 50 51 54 55 57 58 59 59 60 61 61 62 64 Chương 5: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM MAX + PLUS 70 I Giới thiệu phần mềm max + plus II 70 II Quá trình thiết kế 71 III Các ứng dụng max plus II IV File thiết kế, file phụ thuộc project V Các cách thiết kế (Design Entry) 72 73 74 VI FLOORPLAN EDITOR MAX + PLUS II 75 VII Altera Hardwave Description Language (AHDL) 75 VIII Ngôn ng VHDL HVTH : Võ Duy Linh 76 Mục lục IX Verilog HDL X Primitives, Megafunction & Macrofunctions XI Hệ thống cấp bậc project (project Hierarchy) XII Thi hành chương trình (Project Processing) XIII Trình biên dịch MAX+PLUS II (Max Plus II compiler) 76 77 78 79 79 XIV Phát định vị lỗi 81 XV Kiểm tra chương trình 81 XVI Lập trình thiết bị (Device Programming) XVII MAX PLUS II Programmer Phần II Chương trình mô tính toán mạch lọc s CHƯƠNG 6: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN CỦA MẠCH LỌC SỐ I Kết mô tính toán Matlab Một số chương trình tính toán dùng Matlab Kết tính toán II Kết mô tính toán VHDL Chương trình mô dùng VHDL Kết mô 83 83 85 86 86 86 101 132 132 143 Phần III Phụ lục tham khảo Phụ lục: Nội dung CDROM Tài liệu tham khảo Lý lịch trích ngang HVTH : Võ Duy Linh Chương Tổng quan Lọc Số CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ LỌC SỐ I PHẦN MỞ ĐẦU Mạch lọc lớp đặc biệt quan trọng hệ thóng tuyến tính thời gian bất biến Đúng theo công dụng ta gọi mạch lọc chọn tần, ý nói đến hệ thống cho qua vài thành phần tần số loại bỏ toàn tần số khác, xét rộng hệ thống có khả hiệu chỉnh thành phần tần số so với dải tần lại gọi mạch lọc ta đặt trọng tâm cho việc thiết kế mạch lọc chọn tần giới hạn phạm vi mạch lọc nhân (Causal Filters) Đó mạch lọc không nhân (Noncausal Filters) thiết kế cài đặt cách hiệu chỉnh từ mạch lọc nhân Một cách tổng quát việc thiết kế mạch lọc bao gồm bước sau: Bước 1: Định rõ thông số mong muốn hệ thống Bước 2: Xấp xỉ hoá tiêu nhờ sử dụng hệ thống thời gian rời rạc nhân Bước 3: Hiện thực hệ thống Dù bước không hẳn hoàn toàn độc lập nhau, ta trọng bước thứ bước thứ phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể, bước thứ tuỳ thuộc vào công nghệ dùng để cài đặt mạch lọc Đồng thời thực tế mạch lọc số thiết kế thường cài đặt phép tính số dùng để lọc tín hiệu lấy từ tín hiệu thời gian liên tục sau qua mạch lấy mẫu biến đổi A/D Vì lý ta quen gọi mạch lọc thời gian rời rạc mạch lọc số Khi mạch lọc thời gian rời rạc dùng để xử lý tín hiệu thời gian liên tục theo sơ đồ: Xa(t) A/D T X(n) Mạch Lọc Số Y(n) D/A Ya(t) T Ta thấy tiêu mạch lọc thiết kế thể thông qua đáp ứng tần số mạch lọc HVTH : Võ Duy Linh Chương Kết mô tính toán b lọc thông cao: - Các giá trị h(n) dạng số HEX chứa RAM: - Kết y(n) dạng số HEX chứa RAM: - Dạng sóng ngõ ra: HVTH : Võ Duy Linh 145 Chương Kết mô tính toán c lọc thông dải: - Các giá trị h(n) dạng số HEX chứa RAM: HVTH : Võ Duy Linh 146 Chương Kết mô tính toán - Kết y(n) dạng số HEX chứa RAM: - Dạng sóng ra: HVTH : Võ Duy Linh 147 Chương Kết mô tính toán d lọc chắn dải: - Các giá trị h(n) dạng số HEX chứa RAM: - Kết y(n) dạng số HEX chứa RAM: HVTH : Võ Duy Linh 148 Chương Kết mô tính toán - Dạng sóng ra: Phương pháp xấp xỉ tối ưu a lọc thông thấp: - Các giá trị h(n) dạng số HEX chứa RAM: HVTH : Võ Duy Linh 149 Chương Kết mô tính toán - Kết y(n) dạng số HEX chứa RAM: - Dạng sóng ngõ HVTH : Võ Duy Linh 150 Chương Kết mô tính toán b lọc thông cao: - Các giá trị h(n) dạng số HEX chứa RAM: - Kết y(n) dạng số HEX chứa RAM: HVTH : Võ Duy Linh 151 Chương Kết mô tính toán - Dạng sóng ra: b lọc thông dải: - Các giá trị h(n) dạng số HEX chứa RAM: HVTH : Võ Duy Linh 152 Chương Kết mô tính toán - Kết y(n) dạng số HEX chứa RAM: - Dạng sóng ra: HVTH : Võ Duy Linh 153 Chương Kết mô tính toán d lọc chắn dải: - Các giá trị h(n) dạng số HEX chứa RAM: - Kết y(n) dạng số HEX chứa RAM: - Dạng sóng ra: HVTH : Võ Duy Linh 154 Chương HVTH : Võ Duy Linh Kết mô tính toán 155 Chương Phụ lục tham khảo PHẦN III PHỤ LỤC VÀ THAM KHẢO I PHỤ LỤC (Nộâi dung CDROM) CDROM bao gồm tất lý thuyết, source code kết mô toàn chương trình mô luận văn CDROM chứa nhiều tài liệu chương trình mô mà tác giả download từ Internet CDROM chia làm phần c Phần lý thuyết luận văn (E:\Lythuyet) d Phần tài liệu tham khảo (E:\Thamkhao) • Các tài liệu liên quan (E:\Thamkhao\Data) • Các chương trình mẫu (E:\Thamkhao\Program) e Phần chương trình mô phỏng(E:\Machloc) * Chương trình Matlab: • Giao diện (E:\Matlab\locso) • Chương trình tự động thiết kế mạch lọc số FIR (E:\ Machloc\FIR) • Chương trình tự động thiết kế mạch lọc số IIR (E:\ Machloc\IIR) * Chương trình viết VHDL: • Chương trình (E:\Vhdl\Fir\Testfir.vhd) • Mạch cộng (E:\ Vhdl\Fir \cong9.vhd) • Mạch nhân (E:\ Vhdl\Fir \nhan.vhd) • Mạch dịch (E:\ Vhdl\Fir\shift_9.vhd) • Mạch delay (E:\ Vhdl\Fir\delay.vhd) HVTH : Võ Duy Linh 142 Chương Phụ lục tham khảo II TÀI LIỆU THAM KHAÛO [1] S.K.Mitra, J Kaiser, Handbook for Digital Signal Processing, 1993 John Wiley and Sons, Inc [2] J Kodosky, J McCrisken, G Rymar, Visual Programming Using Structured Dataflow, Proceedings of 1991 IEEE Workshop on Visual Languages, October 8-11, 1991/Kobe, Japan [3] R Jamal, L Wenzel, The Applicability of the Visual Programming Language LabVIEW to Large Real-World Applications, Proceedings of 1995 IEEE Symposium on Visual Languages, September 4-8, 1995/Darmstadt, Germany [4] J Kodosky, E Perez, Linear Systems in LabVIEW, National Instruments Application Note 08, January 1991 [5] Miroslav D Lutovac, Dejan V Tosic, and Brian L Evans, Filter Design for Signal Processing Using MATLAB and Mathematica Prentice Hall, 2001 [6] Kenvin Skahill, VHDL for Programmable Logic, Addison Wesley Pubishing Company, 1996 [7] Micheal Z Komodromos, Steve F Russell, and Ping Tak Peter Tang, “Design of FIR Filters with Complex Desired Frequency Response Using a Generalized Remez Algorithm”, IEEE Trans Circuits and Systems, vol.CAS-42, (April 1995) [8] Lina J Karm and James H McClellan, “Complex Chebyshev Approximation for FIR Filter Design”, IEEE Trans Circuits and Systems, vol.CAS-42, (April 1995) HVTH : Võ Duy Linh 143 Chương [9] Phụ lục tham khaûo M Okuda, M Ikehaea and S Takahashi, “Complex Chebyshev Approximation for IIR Digital Filters” , IEICE Trans The Engineering Sciences Society, Vol J 78-A, June 1995 [10] R L Streit and A H Nuttall, “A note on the semi-infinite programming approach to complex approximation,” Math [11] Comput., vol 40, 1983 [12] Rabiner L R and Gold b “Theory and Application of Digital Signal processing,” Prentice Hall, Englewood Cleffs, NJ (1975) [13] Lê Tiến Thường,” Xử Lý Số Tín Hiệu Wavelets, nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, tháng 3/2002 [14] Tống Văn On (hiệu đính Hồ Trung Mỹ), “Lý Thuyết & Bài Tập Xử Lý Tín Hiệu Số”, nhà xuất Lao Động – Xã Hội, tháng 11/2002 [15] Nguyễn Quốc Tuấn, “ Ngôn Ngữ VHDL Để Thiết Kế Vi Mạch”, nhà xuất Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, tháng 11/2002 HVTH : Võ Duy Linh 144 Tóm tắt lý lịch trích ngang TÓM TẮT LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên học viên: Võ Duy Linh Phái : Nam Ngày tháng năm sinh: 01 – 03 – 1974 Nơi sinh: Bến Tre Địa liên lạc: 60/8C Lê Văn Thọ, Phường 11, Quận Gò Vấp, TP.HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - Từ 1986-1989: Học sinh phổ thông sở thuộc Trường Cấp II- thị xã, Tỉnh Bến Tre - Từ 1989-1992: Học sinh phổ thông trung học thuộc Trường phổ thông Trung học Nguyễn Đình Chiểu, Tỉnh Bến Tre - Từ 1993-1998: Học đại học hệ quy ngành Điều Khiển Tự Động Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP.HCM - Từ tháng 10-2000 đến nay: học Cao học ngành Kỹ thuật Điện tử -Viễn thông Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP.HCM QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC Từ tháng 5-1998 đến tháng 3-2001: Giảng dạy Trung Tâm Đào Tạo Kỹ Thuật Việt Nam - Singapore Từ tháng 3-2001 đến nay: Giảng dạy Khoa Điện tử – Tự động hóa, Trường Cao Đẳng Công Nghiệp TPHCM ... Mã số : I – TÊN ĐỀ TÀI CHƯƠNG TRÌNH TỰ ĐỘNG THIẾT KẾ MẠCH LỌC SỐ II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG ƒ Nghiên cứu phương pháp thiết kế mạch lọc số FIR IIR ƒ Thực chương trình mô phỏng, tính toán mạch lọc. .. thuyết Chương TỔNG QUAN VỀ LỌC SỐ I Phần mở đầu II Các đặc tính lọc Chương THIẾT KẾ BỘ LỌC FIR I Giới thiệu II Thiết kế lọc FIR có pha tuyến tính sử dụng cửa sổ III Thiết kế lọc lấy mẫu tần số 14... IV Thiết kế lọc theo phương pháp xấp xỉ tối ưu 21 Chương THIẾT KẾ BỘ LỌC IIR I Giới thiệu II Cấu mẫu lọc tương tự thông thấp Bộ lọc Butterworth Bộ lọc Chebyshev Bộ lọc Elliptic III Thiết kế lọc