5. Kỹ thuật xử lý tín hiệu
5.4 Kỹ thuật nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu bằng xử lý số tín hiệu
Mọi tín hiệu có một thuộc tính là sự phân bố rõ rệt về tần số. Cái mà ta quan sát thấy là tổng của nhiễu cộng với tín hiệu
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu có thể được tính như sau:
S/N = (17)
Từ biểu thức trên ta thấy:
+ S/N = 1: là giới hạn có thể tách trực tiếp tín hiệu;
+ S/N < 1: không thể tách được tín hiệu khi chưa tăng S/N.
Thường thì các phép đo phân tích, giới hạn để tách được tín hiệu là S/N = 2 hoặc 3.
Trong hệ thống đo đạc tự động thì máy tính là nguồn nhiễu mạnh, đặc biệt là các máy tính cũ. Nhiễu từ các máy tính cá nhân PC nằm trong dải tần số sóng điện từ. Các tần số này có liên quan đến xung nhịp đồng hồ của PC và nằm trong dải tần MHz.
Trở lại với tín hiệu, mọi tín hiệu có một thuộc tính đó là sự phân bố rõ rệt về tần số. Cái mà ta quan sát được là tổng của nhiễu cộng với tín hiệu. Nếu việc xử lý tín hiệu mà nhạy với sự có mặt của nhiễu và so với nhiễu tín hiệu cần xử lý lại yếu thì tín hiệu sẽ chìm mất vào trong nhiễu. Một số thiết bị tự nó có thể tránh khỏi một vài nguồn nhiễu cố định. Đối với môdule CR10X thì bộ cách ly quang học cho phép tránh được những nhiễu về điện và nhiễu từ
Biên độ tín hiệu
Độ lệch chuẩn của tổng các nhiễu
máy tính ảnh hưởng đến tín hiệu thu được từ cảm biến. Nhưng để nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu, tôi đã thiết kế và xây dựng phần mềm có khả năng nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu, sau đây tôi trình bày phương pháp sử dụng để nâng cao tỷ số này trong hệ thống đo đạc tự động các thông số của môi trường.
Phương pháp lấy trung bình đa kênh cho phép nâng cao tỷ số S/N
Những năm gần đây, sự phát triển vượt bậc về công nghệ phần cứng và phần mềm máy tính đã tạo ra những công cụ rất mạnh cho phép xử lý tín hiệu sau khi đã số hoá chúng. Đó là lĩnh vực xử lý số tín hiệu. Xử lý số tín hiệu có rất nhiều ưu điểm so với xử lý tương tự như: nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu, tức là có thể nâng cao chất lượng, và độ tin cậy của tín hiệu thu được; giảm thời gian trễ; …
Phương pháp lấy trung bình đa kênh là một trong nhiều phương pháp mà ta có thể nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N). Cơ sở của lấy trung bình đa kênh là phải có được tập hợp các phần tử dữ liệu và lấy trung bình chúng. Ta phải biết rằng, mỗi thành phần tín hiệu nhận được là sự trộn lần của một thành phần tín hiệu gốc (không có nhiễu) với một thành phần nhiễu. Thành phần nhiễu này là ngẫu nhiên cả về biên độ và dấu. Do vậy, khi cộng các dạng sóng tín hiệu thu được với nhau, thành phần tín hiệu gốc sẽ được cộng nhất quán, còn thành phần nhiễu vừa được cộng lại vừa được trừ. Như vậy, thành phần tín hiệu sẽ tăng lên tuyến tính theo cấp số cộng, còn thành phần nhiễu cũng tăng nhưng chậm hơn. Kết quả là tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N được cải thiện theo số lần cộng rồi lấy trung bình.
Bộ lấy trung bình đa kênh là một bộ ghi chuyển tiếp gồm bộ nhớ, đơn vị logic toán và bộ điều khiển. Thay vì ghi mỗi điểm vào trong bộ nhớ số, mỗi điểm này sẽ được số hoá và được cộng vào thành phần nhớ tương ứng với
thời gian chuyển tiếp. Lấy trung bình đa kênh đòi hỏi dạng sóng phải được lặp lại và được đồng bộ với bộ lấy trung bình bằng tín hiệu không có nhiễu.
Cụ thể, nếu cộng n tín hiệu với nhau, mỗi tín hiệu có sự lệch chuẩn là Ni, khi đó nhiễu tổng Ntotal sẽ là:
2 1 n 1 i 2 i total N N (18) Nếu các thành phần nhiễu là như nhau (N1=N2=...=Ni) thì:
N N 2 n.N2 12 n12.N 1 n 1 i 2 i total (19) Nếu một tín hiệu tổng được tạo bởi thành phần tín hiệu S, và thành phần nhiễu có sự lệch chuẩn là N. Ta biết tỷ số tín hiệu trên nhiễu ban đầu (chưa xử lý) được định nghĩa bởi:
N S N S orig (20) Khi cộng n điểm với nhau, thành phần tín hiệu là nS và thành phần nhiễu là n1/2.N. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu cuối cùng (S/N)final sẽ là:
orig 2 1 2 1 final n .SN N . n S . n N S (21) Như vậy, tỷ số S/N đã được cải thiện lên n1/2. Nếu lấy trung bình 4 lần thì S/N được tăng lên 2 lần; nếu lấy trung bình 100 lần thì S/N tăng 10 lần…; Hình 21 mô tả tín hiệu trộn lẫn nhiễu sau khi lấy trung bình 4 lần và 64 lần.
Hình 21: Tín hiệu tổng sau khi lấy trung bình
Mô hình hiệu quả của việc xử lý trung bình đa kênh có sơ đồ như hình 22. Đây là mô hình mà tôi sử dụng cho hệ thống đo đạc các thông số của môi trường nước.
Tín hiệu cần đo trộn với nhiễu ban đầu có tỷ số S/N <1, được số hoá sau khi qua ADC. Với một lần thu thập tín hiệu được k mẫu và được nhớ vào k ô nhớ trong máy tính PC (hay trong các bộ vi điều khiển có nhớ), các ô nhớ này được gọi là các kênh. Lần thu thập thứ 2 được đồng bộ để có dạng tín hiệu vẫn như trước. k mẫu này được cộng với k mẫu trước trên mỗi kênh và được nhớ thay thế cho các giá trị trước vào k ô nhớ. Sau n lần thu thập như
Thời gian (ms) Không có nhiễu 64 4 1 Nguồn tín hiệu “sạch” Nguồn nhiễu + Số hoá ADC Máy tính PC Xung đồng bộ
vậy, giá trị trên mỗi kênh nhớ được chia cho n để lấy trung bình và hiển thị trên máy tính hay lưu trong bộ vi điều khiển.