TÌM HIỂU lý THUYẾT và các ỨNG DỤNG của bộ lọc KALMAN

Còn một bộ lọc số thì sử dụng một bộ xử lý số để hoạtđộng tính toán số hoá trên các giá trị được lấy mẫu của tín hiệu.. Tốc độ của công nghệDSP ngày càng tăng lên, làm cho các bộ lọc số

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

GVHD : Th.S TRƯƠNG NGỌC SƠN

NGUYỄN HUY DANH 07117012

TP.HỒ CHÍ MINH – 5/2012

Bộ Môn Điện Tử Viễn Thông

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 201

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Bản nhiệm vụ này được đóng vào trang nhất của cuốn Đồ án) Họ tên sinh viên 1:

Lớp: MSSV:

Họ tên sinh viên 2:

Lớp: MSSV:

1 Tên đề tài:

2 Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu):

3 Ngày giao nhiệm vụ ĐATN:

4 Ngày bảo vệ 50% ĐATN:

5 Ngày hoàn thành và nộp về khoa:

6 Giáo viên hướng dẫn: Phần hướng dẫn: 1

2

3

Nội dung và yêu cầu ĐATN đã thông qua Khoa và Bộ môn

Ngày tháng năm 2011

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Ký và ghi rõ họ tên)

Bộ Môn Điện Tử Viễn Thông

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011

LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Bản lịch trình này được nộp kèm theo cuốn ĐATN)

Họ tên sinh viên 1:

Lớp: MSSV:

Họ tên sinh viên 2:

Lớp: MSSV:

Tên đề tài:

GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, trước hết, chúng em xin gởi lời cảm ơn đến thầyTrương Ngọc Sơn đã định hướng, hướng dẫn tận tình để nhóm có thể hoàn thành tốt nhấtnhiệm vụ được giao

Bên cạnh đó, chúng em cũng không quên gởi lời cảm ơn đến toàn thể quý thầy cô khoaĐiện – Điện tử nói chung và bộ môn Điện tử viễn thông nói riêng đã cung cấp cho chúng emnhững kiến thức quý báo trong suốt thời gian học tập ở ngôi trường Đại học Sư phạm kỹ thuậtTPHCM để chúng em hoàn thành được đồ án này

Đồng thời, chúng con xin gởi tới cha mẹ và gia đình – những người đã ở bên chúngcon suốt những năm chúng con học tập và tiến hành đồ án

Nhóm thực hiện đề tài cũng xin cảm ơn đến các anh chị em khoa Điện – Điện tử vàtoàn thể lớp 071170 đã giúp đỡ chia sẽ kinh nghiệm và kiến thức giúp nhóm làm tốt công việctrong suốt tiến trình thực hiện đề tài

Tuy nhiên, do thời gian và kiến thức có hạn nên đồ án chắc chắn không thể tránh khỏinhững thiếu sót, nhóm thực hiện đề tài rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các cô

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT

Đề tài:

TÌM HIỂU BỘ LỌC KALMAN ỨNG DỤNG LỌC NHIỄU TRONG CẢM BIẾN

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

2.3 Các thông số của hệ thống ở miền thời gian

2.4 Các thong số của hệ thống ở miền tần số

2.5 Các dạng bộ lọc

CHƯƠNG 3: BỘ LỌC KALMAN

3.1 Giới thiệu về bộ lọc Kalman

3.2 Lý thuyết về ước lượng

MỤC LỤC

Trang bìa lót

Quyết định giao đề tài

Lịch trình thực hiện đề tài

PHẦN A: GIỚI THIỆU

LỜI CẢM ƠN i

ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT ii

1.3 Đối tượng nghiên cứu ii

1.4 Giới hạn đề tài ii

1.5 Yêu cầu thiết kế hệ thống ii

1.6 Ý nghĩa thực tiễn ii

MỤC LỤC iii

LIỆT KÊ BẢNG v

LIỆT KÊ HÌNH vi

BẢNG LIỆT KÊ VIẾT TẮT vii

TÓM TẮT LUẬN VĂN viii

ABSTRACT ix

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 10

1.1 Lý do chọn đề tài 10

1.2 Mục tiêu của đề tài 10

1.3 Đối tượng nghiên cứu 10

1.4 Giới hạn đề tài 10

1.5 Yêu cầu thiết kế hệ thống: 10

1.6 Ý nghĩa thực tiễn 10

1.7 Bố cục đồ án 11

2.1 Mở Đầu: 12

2.2.GIỚI THIỆU VỀ LỌC SỐ: 13

2.3.CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG Ở MIỀN THỜI GIAN: 15

2.3.1.Tốc độ chuyển đổi hay thời gian lên( Risetime): 15

2.3.2.Gợn sóng nhô( Overshoot) trong đáp ứng bậc thang: 15

2.3.3.Pha tuyến tính: 15

2.4.CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG Ở MIỀN TẦN SỐ: 16

2.5.CÁC BỘ LỌC THÔNG THẤP, THÔNG CAO, THÔNG DẢI, VÀ CHẮN DẢI: 18

2.6.CẤU TRÚC CĂN BẢN CỦA CÁC BỘ LỌC SỐ: 22

2.6.1.Bộ lọc FIR: 22

2.6.2.Bộ lọc IIR: 28

2.7.KẾT LUẬN: 30

CHƯƠNG 3: BỘ LỌC KALMAN 31

3.1 GIỚI THIỆU VỀ BỘ LỌC KALMAN 31

3.2 LÝ THUYẾT VỀ ƯỚC LƯƠNG 31

3.2.1 KHÁI NIỆM : 31

3.2.2 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG 31

3.2.3 PHƯƠNG SAI 32

3.2.4 ƯỚC LƯỢNG CỦA TRUNG BÌNH VÀ PHƯƠNG SAI 34

3.2.5 HƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG BÉ NHẤT 36

3.3 LỌC THICH NGHI-BỘ LỌC KALMAN 37

3.3.1 LÝ THUYẾT BỘ LỌC KALMAN 37

3.3.2 QUY TRÌNH ƯỚC LƯỢNG 40

3.3.3 THUẬT TOÁN KALMAN GIÁN ĐOẠN 40

3.3.4 KẾT LUẬN 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

LIỆT KÊ BẢNG

Chương 2:

Bảng 2.1 : Các cặp biến đổi Z thông dụng 25Bảng 2.2 : Các tính chất của biến đồi Z 26Bảng 2.3 : Một vài cửa sổ thông dụng 28

LIỆT KÊ HÌNH

Chương 2

Hình 2.1 – Quá trình hoạt động của một bộ lọc số 12

Hình 2.2 – Đáp ứng xung, đáp ứng bước và đáp ứng tần số của bộ lọc 14

Hình 2.3 – Các thông số của hệ thống ở miền thời gian 16

Hình 2.4 – Các đáp ứng tần số của các bộ lọc căn bản 17

Hình 2.5 – Các thông số của hệ thống ở miền tần số 28

Hình 2.6 – sự nghịch đảo phổ 29

Hình 2.7 – Sự đảo chiều phổ 20

Hình 2.8 – Thiết kế bộ lọc thông dải 20

Hình 2.9 – Thiết kế bộ lọc chắn dải 21

Hình 2.10 – Các tham số kỹ thuật của bộ lọc thông thấp 22

Hình 2.11 – Cấu trúc bộ lọc FIR thể hiện các bộ trễ 25

Hình 2.12 – Cấu trúc hàng rào FIR 25

Hình 2.13 – Sự thực hiện bộ lọc FIR dạng trực tiếp 27

Hình 2.14 – Sự thực hiện ngang hàng của một bộ lọc FIR 27

Hình 2.15 – Sự thực hiện bộ lọc FIR dạng tế bào của bộ nhân/tích luỹ song song .27 Hình 2.16 – Sự thực hiện bộ lọc FIR dạng chuyển vị 28

Hình 2.17 – Cấu trúc bộ lọc IIR dạng trực tiếp I 29

Hình 2.18 – Cấu trúc bộ lọc IIR dạng trực tiếp II 30

Chương 3 Hình 3.1 – Tín hiệu thu chưa lọc 38

Hình 3.2 – Tín hiệu thu đã lọc qua kalman 39

Hình 3.3 – Sơ đồ bộ lọc Kalman 39

Hình 3.4 – Chu kì bộ lọc gián đoạn 41

Hình 3.5 – Sơ đồ tiến trình 43

BẢNG LIỆT KÊ VIẾT TẮT

ALU Arithmetic - Logic Unit

EDMA Enhanced Direct Memory Access

EMIF External Memory Interface

FP Fetch Packet

HPI Host - Port Interface

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài là sự kết hợp giữa thuật toán kalman, lập trình bằng ngôn ngữ C trên vi

xử lý lọc nhiễu cho cảm biến góc nghiêng

 Cơ sở lý thuyết:

- Tìm hiểu chung về thuật toán Kalman

- Đặc trưng cơ bản bộ lọc kalman

- Ứng dụng của cảm biến góc nghiêng

 Thiết kế và thi công:

- Thi công được mạch mạch vi xử ly kết hợp với cảm biến góc nghiêng

- Lập trình thuật toán Kalman bằng ngôn ngữ C trên vi xử lý

Thread is a combination of Kalman algorithms, programming language C on a noiseprocessor for angle sensor

 Theoretical basis:

- A principal Kalman filter

- Application of tilt sensors

angle sensor

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay, nền công nghệ thế giới đang phát triển nhanh chóng với hàng loạt các giải phápcông nghệ ra đời mỗi năm Theo đó, các sinh viên ngành công nghệ ngoài việc tiếp thu các kiếnthức ở giảng đường còn phải tìm hiểu và nghiên cứu thêm các công nghệ tiên tiến trên thế giới để

có thể đáp ứng được yêu cầu cao của thị trường lao động Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãitrong các thiết bị trong dân dụng cũng như trong công nghiệp

Thế nhưng nhiều loại cảm biến lại rất nhạy cảm với nhiễu, vấn đề làm sao để loại nhiễu rakhỏi tín hiệu là một vấn đề thật sự không đơn giản

Với những ưu điểm vượt trội, tiềm năng ứng dụng của thuật toán Kalman vào thực tế trong việc ápdụng để thu được tín hiệu gần đúng với tín hiệu thật từ cảm biến là rất khả quan , vì vậy việcnghiên cứu để nắm rõ và tiến tới làm chủ phương pháp này là rất cần thiết và bổ ích Ngoài ra, với

mong muốn áp dụng và lập trình thuật toán Kalman vào thực tế nhóm đề xuất chọn đề tài “TÌM HIỂU BỘ LỌC KALMAN ỨNG DỤNG VÀO LỌC NHIỄU TRÊN NHIỄU TRÊN CẢM

BIẾN” làm đề tài tốt nghiệp của nhóm

1.2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu về thuật toán Kalman, ứng dụng lọc nhiễu cho cảm biến góc nghiên

Lập trình bộ lọc trên vi xử lý

1.3 Đối tượng nghiên cứu

 Thuật toán Kalman

 Ngôn ngữ lập trìn C

 Vi xử lý và cảm biến góc nghiêng

1.4 Giới hạn đề tài

Nhóm đã cố gắng hết sức và dành rất nhiều thời gian cho quá trình nghiên cứu đề tài nhưng

do nguyên nhân khách quan (giá thành thiết bị quá đắt, tài liệu về đề tài còn tương đối ít, lượngkiến thức liên quan đến đề tài là mới so với nhóm nghiên cứu) cũng như kinh nghiệm, kỹ năng củanhóm còn thiếu nên không thể tránh khỏi những khó khăn Vì vậy nhóm hạn chế đề tài ở việc xâydựng phần mềm quản lý và thiết kế, thi công mô hình mà chưa đưa ra sản phẩm hoàn thiên thựcsự

1.5 Yêu cầu thiết kế hệ thống:

Yêu cầu về phần cứng: Đọc các giá trị từ cảm biến tốt, giao động ít , không bị ảnh hưởngnhiều từ nhiễu

1.6 Ý nghĩa thực tiễn

Nếu được hoàn thiện và đưa vào áp dụng, đề tài chắc chắn sẽ đem lại nhiều lợi ích trongviệc áp dụng vào thực tế lọc nhiễu trong cảm biến cũng như trong truyền tín hiệu

Dàn ý nghiên cứu

 Nghiên cứu thuật toán kalman

- Tổng quan về thuật toán Kalman

Chương 1: Giới Thiệu

- Nghiên cứu về ước lượng

- Ứng dụng lập trình thuật toán trên vi xử lý

 Thiết kế phần cứng

- Tìm hiểu yêu cầu thiết kế mạch vi xu lý giao tiếp với Lcd

- Thiết kế mạch kết hợp cảm biến góc nghiêng

- Chương 4: Ứng dụng thuật toán Kalman vào bài toán lọc nhiễu

 Phần 2: Thiết kế và thi công, gồm 4 chương

- Chương 6: Thiết kế phần cứng

- Chương 7: lập trình cho vi xử lý

Chương 1: Giới Thiệu

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC SỐ2.1 Mở Đầu:

Lọc số là quá trình rất quan trọng của xử lý tín hiệu số, vì chính những khả năng phi thườngcủa các bộ lọc số đã làm cho chúng trở nên rất phổ biến như ngày nay Các bộ lọc số gồm có haicông dụng chính : phân tích tín hiệu và phục hồi tín hiệu Phân tích tín hiệu được áp dụng khi tínhiệu mong muốn bị giao thoa với các tín hiệu khác hay bị các loại nhiễu tác động vào nó Cònphục hồi tín hiệu là khi tín hiệu mà ta mong muốn hay cần để đánh giá, xét nghiệm bị sai lệch đibởi nhiều yếu tố của môi truờng tác động vào; làm cho nó bị biến dạng gây ảnh hưởng đến kết quảđánh giá

Có hai kiểu lọc chính: Tương tự và số Chúng khác nhau hoàn toàn về cấu tạo vật lý và cáchlàm việc Một bộ lọc tương tự sử dụng các mạch điện tương tự được tạo ra từ các thiết bị như làđiện trở, tụ điện, hay opamp, …Có các chuẩn kỹ thuật tốt đã tồn tại trong một thời gian dài choviệc thiết kế một mạch bộ lọc tương tự Còn một bộ lọc số thì sử dụng một bộ xử lý số để hoạtđộng tính toán số hoá trên các giá trị được lấy mẫu của tín hiệu Bộ xử lý có thể là một máy tínhmục đích chung như một PC, hay một chíp DSP chuyên dụng Các quá trình hoạt động của một bộlọc số được thể hiện như hình 2.1 sau:

Hình 2.1: Quá trình hoạt động của một bộ lọc số.

Nói chung các công việc của bộ lọc số có thể được thực hiện bởi bộ lọc tương tự( Analog Filter) Các bộ lọc tương tự có ưu điểm là giá thành rẻ, tác động nhanh, dải động( Dynamic Range) về biên độ và tần số đều rộng Tuy nhiên các bộ lọc số thì có các cấp độ thực hiện hơn hẳn các bộ lọc tương tự, ví dụ như: các bộ lọc số thông thấp có thể có độ lợi( Gain) 1+/-0.0002 từ DC

đến 1000Hz và độ lợi sẽ nhỏ hơn 0.0002 ở các tần số trên 1001Hz Tất cả các hoạt động diễn ra

Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số

chỉ trong khoảng 1Hz Điều này không thể thực hiện được ở các bộ lọc tương tự Và vì vậy các bộlọc số sẽ dần dần thay thế cho các bộ lọc tương tự với các ưu điểm cụ thể như sau:

1) Một bộ lọc số thì có khả năng lập trình được, còn một bộ lọc tương tự, muốn thay đổi cấutrúc thì phải thiết kế lại bộ lọc

2) Các bộ lọc số dễ dàng thiết kế, dễ kiểm tra và dễ thi hành trên một máy tính mục đíchchung hay một trạm làm việc

3) Đặc điểm các mạch lọc tượng tự là bị ảnh hưởng bởi sự trôi và phụ thuộc nhiều vào nhiệt

độ Các bộ lọc số thì không có các vấn đề này, và rất ổn định với cả thời gian và nhiệt độ.4) Các bộ lọc số có thể xử lý các tín hiệu tần số thấp rất chính xác Tốc độ của công nghệDSP ngày càng tăng lên, làm cho các bộ lọc số có khả năng xử lý các tín hiệu tần số cao

trong miền âm tần( Radio Frequency), mà trong quá khứ là lĩnh vực độc quyền của công

Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một số lý thuyết cơ sở về lọc tín hiệu

2.2.GIỚI THIỆU VỀ LỌC SỐ:

Trong xử lý tín hiệu số, ta thường nói tín hiệu vào và ra của một bộ lọc đều ở miền thời gian,bởi vì tín hiệu thường được tạo ra bằng cách lấy mẫu ở các thời điểm cách đều nhau Tuy nhiên, tacũng có thể lấy mẫu ở các vị trí cách đều nhau trong không gian hay trong một số phạm trù khác;nhưng thông thường nhất là lấy mẫu trong miền thời gian và miền tấn số Trong xử lý tín hiệu sốthì từ miền thời gian ta có thể liên hệ tổng quát đến các phạm trù khác Ví dụ hình 2.2 sau sẽ mô tảđiều đó Mỗi bộ lọc tuyến tính đều có một đáp ứng xung, một đáp ứng bước và một đáp ứng tần

số Mỗi đáp ứng này đều chứa đầy đủ thông tin về bộ lọc, nhưng dưới mỗi dạng khác nhau Nếu

Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số

một trong ba đáp ứng được xác định thì hai đáp ứng kia cũng sẽ được tính ra trực tiếp Cả ba đápứng này đều rất quan trọng, vì chúng mô tả bộ lọc ở các hoàn cảnh khác nhau.

Với đáp ứng xung là đầu ra của hệ thống khi đầu vào là xung đơn vị; đáp ứng bước là đầu racủa hệ thống khi đầu vào là bước nhảy đơn vị( hay xung bậc thang) Vì hàm bước nhảy là tíchphân của hàm xung đơn vị, nên đáp ứng bước chính là tích phân của đáp ứng xung Từ đó ta cóhai cách tìm đáp ứng bậc thang:

 Đưa một sóng bước nhảy vào bộ lọc và xem kết quả ở đầu ra hay;

 Lấy tích phân của đáp ứng xung

Còn đáp ứng tần số lấy từ biến đổi Fourier của đáp ứng xung

Hình 2.2: Đáp ứng xung, đáp ứng bước và đáp ứng tần số của bộ lọc.

Phương pháp trực tiếp nhất để thực hiện lọc số là dùng phép tích chập của tín hiệu vào vớiđáp ứng xung của bộ lọc số; khi đó đáp ứng xung được xem là cốt lõi cho việc thiết kế của bộ lọc.Một phương pháp khác để thực hiện lọc số là dùng phương pháp đệ quy Khi bộ lọc được thựchiện bằng phép tích chập, mỗi mẫu trong tín hiệu ra được tính toán bằng cách tổ hợp có trọng sốcác mẫu trong tín hiệu vào Các bộ lọc kiểu đệ quy mở rộng thêm quá trình trên bằng cách sửdụng cả các trị số đã tính được từ tín hiệu ra, bên cạch các điểm lấy từ tín hiệu vào; thay vì dùngmột lõi lọc, các bộ lọc đệ quy được xác định bởi một dãy hệ số đệ quy Các bộ lọc đệ quy cònđược gọi là các bộ lọc có đáp ứng xung dài vô hạn IIR, còn các bộ lọc thực hiện theo phương phápchập thì gọi là các bộ lọc có đáp ứng xung dài hữu hạn FIR

Có nhiều cách để con người biểu diễn thông tin qua tín hiệu như trong các kiểu điều chế hay

mã hóa tín hiệu: AM, FM, PCM,…Còn các tín hiệu sinh ra trong tự nhiên thì chỉ có hai cách biểu

Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số

diễn là theo miền thời gian hay là ở miền tần số Thông tin được thể hiện trong miền thời gianđược mô tả bằng độ lớn của sự kiện tại thời điểm xuất hiện Mỗi mẫu trong tín hiệu cho thấy cái gìxuất hiện ở thời điểm ấy và độ lớn của nó Trái lại, thông tin được biểu thị trong miền tần số cótính chất gián tiếp hơn và mỗi mẫu tín hiệu đơn độc không thể thể hiện được thông tin đầy đủ màphải trong mối quan hệ nhiều điểm của tín hiệu.

Từ đó ta thấy tầm quan trọng của đáp ứng bước và đáp ứng tần số; đáp ứng bước mô tả sựbiến đổi của thông tin trong miền thời gian bởi hệ thống còn đáp ứng tần số cho thấy sự biến đổicủa thông tin trong miền tần số Với mỗi ứng dụng khác nhau thì tầm quan trọng của hai loại đápứng cũng khác nhau

2.3.CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG Ở MIỀN THỜI GIAN:

Gồm có ba thông số quan trọng sau

2.3.1.Tốc độ chuyển đổi hay thời gian lên( Risetime):

Tốc độ chuyển đổi thường được thể hiện bằng thời gian lên( hay số mẫu) giữa mức biên độ10% đến 90% Thời gian lên có thể không nhanh do nhiều nguyên nhân như tạp âm, hạn chế sẵn

có của hệ thống.v.v

2.3.2.Gợn sóng nhô( Overshoot) trong đáp ứng bậc thang:

Thông thường phải loại bỏ gợn sóng nhô vì nó làm thay đổi biên độ các mẫu trong tín hiệu;đây là méo tín hiệu cơ bản của thông tin chứa trong miền thời gian Gợn sóng nhô có thể do đạilượng đang đo hoặc do bộ lọc đang sử dụng

Hình 2.3: Các thông số của hệ thống ở miền thời gian.

2.4.CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG Ở MIỀN TẦN SỐ:

Gồm các thông số sau:

 Dải thông( Passband): là dải gồm các tần số được bộ lọc cho qua.

 Dải chắn( Stopband): là dải chứa các tần số bị ngăn cản.

 Dải chuyển tiếp( Transitionband): là dải ở vị trí trung gian của dải thông với

dải chắn

 Độ dốc xuống nhanh: là ứng với mỗi dải chuyển tiếp rất hẹp.

 Tần số cắt: là tần số phân cách giữa dải thông và dải chuyển tiếp Trong thiết kế

tương tự, tần số cắt thường được xác định tại nơi biên độ giảm còn 0.707( tươngứng -3dB) Các bộ lọc số ít được tiêu chuẩn hóa và có thể xác định các tần số cắttại các mức biên độ 99%, 90%, 70.7%, và 50%

Hình 2.4 sau thể hiện các đáp ứng của các bộ lọc cơ bản

Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số

Hình 2.4: Các đáp ứng tần số của các bộ lọc căn bản.

Để phân tích các tần số kề sát nhau, bộ lọc phải có độ dốc xuống nhanh Muốn cho các tần sốcủa dải thông lọt qua hoàn toàn bộ lọc, phải không có gợn sóng dải thông Cuối cùng, muốn ngănchặn các tần số của dải chắn, cần có độ suy giảm dải chắn lớn; các điều đó được biểu diễn ở hìnhsau

Về mặt pha, trước hết hệ số pha không quan trọng trong hầu hết các ứng dụng ở miền tần số.Chẳng hạn, pha của một tín hiệu âm thanh hầu như hoàn toàn bất kỳ và không chứa thông tin hữuích nào Thứ hai, nếu pha là quan trọng thì ta lại có thể dễ dàng thực hiện các bộ lọc số có đáp ứngpha tuyến tính, tức là tất cả tần số đi qua bộ lọc không bị lệch pha Trong khi các bộ lọc tương tựrất kém về mặt này

Hình 2.5 sau thể hiện ba thông số về đặc điểm làm việc của bộ lọc trong miền tần số

Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số

Hình 2.5: Các thông số của hệ thống ở miền tần số.

2.5.CÁC BỘ LỌC THÔNG THẤP, THÔNG CAO, THÔNG DẢI, VÀ CHẮN DẢI:

Việc thiết kế các bộ lọc số thực tế đều đi từ lý thuyết các bộ lọc số lý tưởng; gồm có bốn bộlọc số lý tưởng là :

Có hai phương pháp chuyển đổi từ thông thấp sang thông cao là: nghịch đảo phổ( Spectral Inversion) và đảo chiều phổ( Spectral Reversal) Hình 2.6 sau đây thể hiện sự nghịch đảo phổ.

Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số

Hình 2.6: Sự nghịch đảo phổ.

Phải thực hiện hai bước để đổi đáp ứng xung thông thấp thành thông cao: đầu tiên đổi dấumỗi mẫu trong lõi lọc; sau đó thêm một mẫu vào tại tâm đối xứng Như thế ta được đáp ứng xunglọc thông cao thể hiện ở hình c), và đáp ứng tần số thể hiện ở hình d) Sự nghịch đảo phổ đã lậtngược đáp ứng tần số, đổi dải thông thành dải chắn và ngược lại

Phương pháp thứ hai để chuyển đổi thông thấp thành thông cao, đó là đảo chiều phổ, đượcthể hiện ở hình 2.7 sau Cũng tương tự như trên, đáp ứng xung của bộ lọc thông thấp ở hình a)tương ứng với đáp ứng tần số ở hình b) Đáp ứng xung của bộ lọc thông cao ở hình c) được tạo rabằng cách đổi dấu các mẫu tín hiệu cách trước; điều này đã đảo lộn miền tần số từ trái sang phải.Tần số cắt của bộ lọc thông thấp trong ví dụ trên là 0.15, còn tần số cắt của bộ lọc thông cao là0.35

Đổi dấu của mỗi tín hiệu cách một tương đương với nhân lõi lọc với một sóng sine có tần số0.5 Điều này có tác dụng dịch chuyển miền tần số một khoảng tần số bằng 0.5

Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số

Hình 2.7: Sự đảo chiều phổ.

Và hai hình sau đây cho chúng ta thấy cách kết hợp các đáp ứng xung của bộ lọc thôngthấp và bộ lọc thông cao để tạo nên các bộ lọc thông dải và bộ lọc chắn dải Khi cộng các đáp ứngxung sẽ tạo ra một bộ lọc chắn dải, còn khi nhân chập các đáp ứng xung sẽ cho một bộ lọc thôngdải

Hình 2.8: Thiết kế bộ lọc thông dải

Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số

 : tần số giới hạn( biên tần ) dải chắn.

Ngoài ra còn có tham số phụ là:    s- p : bề rộng dải quá độ

Ví dụ minh họa đối với bộ lọc thông thấp bằng hình 2.10 sau:

Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số

Hình 2.10: Các tham số kỹ thuật của bộ lọc thông thấp.

2.6.CẤU TRÚC CĂN BẢN CỦA CÁC BỘ LỌC SỐ:

Có hai kiểu bộ lọc số căn bản đó là: bộ lọc FIR và IIR; Các bộ lọc FIR có hai đặc điểm quantrọng so với các bộ lọc IIR: thứ nhất, các bộ lọc FIR chắc chắn ổn định, thậm chí sau khi các hệ sốcủa bộ lọc đã được lượng tử hóa Thứ hai, các bộ lọc FIR dễ dàng được ràng buộc để có pha tuyếntính Và sau đây ta sẽ đi khảo sát từng loại bộ lọc đó; đầu tiên chúng ta xem lại phép biến đổi z, làcông cụ hữu hiệu cho việc phân tích và thiết kế các bộ lọc số

2.6.1.Bộ lọc FIR:

2.6.1.1.Phép biến đổi Z( Z-Transform):

Biến đổi Z là công cụ hữu hiệu trong việc phân tích các tín hiệu và hệ thống thời gian rờirạc, và là công cụ tương ứng với phép biến đổi Laplace đối với các tín hiệu và hệ thống thời gianliên tục; nó có thể được sử dụng để giải các phương trình sai phân hệ số hằng, tính toán đáp ứngcủa hệ thống tuyến tính và bất biến đổi với tín hiệu ngỏ vào cho trước, thiết kế các bộ lọc tuyếntính

Biến đổi Z của tín hiệu thời gian rời rạc x(n) được định nghĩa bởi:

x( ) (2.1)Với z= rej là một biến phức Để ký hiệu, nếu x(n) có biến đổi z là X(z), ta viết: x(n) z

X(z)

Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số



Dải quá độ

Biến đổi z có thể được xem như là biến đổi Fourier thời gian rời rạc của một chuỗi hàm mũ

Bằng các phân tích thành thừa số các đa thức tử số và mẫu số, biến đổi z hữu tỉ được biểudiễn như sau:

1

1 1

1

)1

(

)1

Bảng 2.1: Các cặp biến đổi z thông dụng.

n

 x(n)x(n)*h(n)

x*(n)nx(n)

aX(z) + bX(z)

z-n0X(z)X(z-1)X(  1

1



 z

1 1

1 0

)(cos21

)(cos1

z





2 1 0

1 0

)(cos21

)(sin