Thiết kế, mô phỏng bộ lọc nhiễu tín hiệu điện tim dùng matlab và chuyển mã VHDL

Các xung đi n truyền đ n các bộ ph n khác của tim và làm cho tim co bóp... Sau cùng, xung động truyền xu ng và kh c c vùng đáy th t... Sau đó nút nhĩ th t Tawara AV node: Aschoff -

KHOA ĐI N – ĐI N T

B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH -

Đ ÁN T T NGHI P NGÀNH CÔNG NGH K THU T ĐI N T TRUY N THÔNG

Đ TÀI:

THI T K , MÔ PH NG B L C NHI U TÍN HI U ĐI N TIM DÙNG MATLAB VÀ CHUY N MÃ VHDL

GVHD: ThS Nguy n Thanh Nghƿa SVTH : Tr n Phan Ái M

MSSV: 14141200

Tp H Chí Minh – 01/2019

TR NG ĐH SPKT TP H CHÍ MINH

KHOA ĐI N-ĐI N T

B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH

C NG HÒA XÃ H I CH NGHƾA VI T NAM

I TÊN Đ TÀI: THI T K , MÔ PH NG B L C NHI U TÍN HI U

ĐI N TIM DÙNG MATLAB VÀ CHUY N MÃ VHDL

II NHI M V

1 Các s li u ban đ u:

- Tín hi u đi n tim ECG đ c thu th p trên Matlab

- S dụng bộ x lý chính là kit FPGA Altera – DE2-115

2 Nội dung th c hi n:

- Tìm hiểu về các bộ l c thông th p, l c thông cao, l c thông d i

- L a ch n ph n cứng, nghiên cứu, phân tích nguyên tắc ho t động của từng kh i để xây d ng mô hình hoàn chỉnh cho h th ng

- Thi t k và mô ph ng bộ l c tín hi u đi n tim trên Matlab và chuyển mã VHDL III NGÀY GIAO NHI M V : 03/10/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 10/01/2019

V H VÀ TÊN CÁN B H NG D N: ThS Nguy n Thanh Nghĩa

Tên đề tài: THI T K , MÔ PH NG B L C NHI U TÍN HI U

ĐI N TIM DÙNG MATLAB VÀ CHUY N MÃ VHDL

Tu n 1

03/10/2018 – 08/10/2018

Tìm ý t ởng cho đề tài, xây d ng đề

c ng, sắp x p lịch trình th c hi n đồ

án

Tu n 2, 3, 4

09/10/2018– 29/10/2018 Phân tích yêu c u h th ng, tìm hiểu c sở lý thuy t về tín hi u đi n tim, lý

thuy t về các bộ l c

TR NG ĐH SPKT TP H CHÍ MINH

KHOA ĐI N - ĐI N T

B MÔN ĐI N T CÔNG NGHI P – Y SINH

C NG HÒA XÃ H I CH NGHƾA VI T NAM

Đ C L P - T DO - H NH PHÚC

o0o

L I C M N

L i đ u tiên, nhóm em xin g i l i c m n chân thành và sâu sắc nh t đ n Th y Nguy n Thanh Nghĩa Th y đã t n tình h ng d n, góp ý định h ng, t o m i điều ki n cho nhóm em trong su t quá trình th c hi n đề tài t t nghi p

Nhóm em xin chân thành c m n đ n t t c các th y cô Khoa Đi n – Đi n t ,

Tr ng Đ i H c S Ph m Kỹ Thu t Tp HCM, nh ng ki n thức và kinh nghi m quý báu

mà chúng em nh n đ c từ th y cô trong su t quá trình theo h c s là hành trang t t

nh t giúp chúng em v ng b c trong s nghi p của mình

Nhóm em xin chân thành c m n Ban Giám Hi u Tr ng Đ i H c S Ph m Kỹ Thu t Tp HCM đã t o điều ki n cho chúng em làm đồ án này

Cu i cùng, chúng em xin g i nh ng l i tri ân đ n gia đình, b n bè, nh ng ng i thân yêu nh t luôn quan tâm và t o điều ki n t t nh t cho chúng em trong su t quá trình

h c t p

M C L C

NHI M V Đ ÁN T T NGHI P i

LỊCH TRÌNH TH C HI N Đ ÁN T T NGHI P ii

L I CAM ĐOAN iii

L I C M N iv

M C L C v

LI T KÊ HÌNH ix

LI T KÊ B NG xi

DANH M C CÁC TỪ VI T T T xii

CH NG 1: T NG QUAN 1

1.1 Đ T V N Đ 1

1.2 M C TIÊU 2

1.3 N I DUNG NGHIÊN CỨU 2

1.4 GI I H N 2

1.5 B C C 2

CH NG 2: C S LÝ THUY T 4

2.1 T NG QUAN V TÍN HI U ĐI N TIM ECG 4

2.1.1 Khái ni m về tín hi u đi n tim ECG 4

2.1.2 C u trúc gi i ph u và chức năng của tim 4

2.1.3 Nhịp tim 6

2.1.4 Các quá trình đi n h c của tim 6

2.1.5 Quá trình hình thành tín hi u đi n tim 6

2.1.5.1 Nhĩ đồ 6

2.1.5.2 Th t đồ 7

2.1.6 S hình thành các d ng sóng của tim 9

2.1.6.1 Tính d n truyền 9

2.1.6.2 Tính tr và các th i kì tr 9

2.1.6.3 Đi n tr ng của tim 10

2.1.7 Các thành ph n của tín hi u đi n tim ECG 10

2.1.8 Các d i t n trong tín hi u đi n tim ECG 13

2.1.9 Các ph ng pháp đo tín hi u ECG 14

2.1.9.1 Ph ng pháp Oscillometric 14

2.1.9.2 Ph ng pháp đi n tim đồ 14

2.1.9.3 Ph ng pháp h p thụ quang h c 15

2.1.10 Các lo i nhi u tác động đ n tín hi u đi n tim 15

2.2 LÝ THUY T V TÍN HI U S VÀ B L C S 17

2.2.1 T ng quan về tín hi u s 17

2.2.2 H x lý s 19

2.2.2.1 Mô t h x lý s 19

2.2.2.2 H x lý s đ quy và không đ quy 22

2.2.3 T ng quan về bộ l c s 22

2.3.3.1 Bộ l c thông th p LPF 23

2.3.3.2 Bộ l c thông cao HPF 25

2.3.3.3 Bộ l c thông d i BPF 25

2.3 T NG QUAN V CÔNG C MATLAB 25

2.3.1 Gi i thi u chung 25

2.3.2 L p trình trong matlab 26

2.3.2.1 M-File 26

2.3.2.2 Một s câu l nh c b n 30

2.3.3 Trình mô ph ng Simulink 34

2.3.4 Công cụ thi t k bộ l c s FDATool của Matlab 38

2.3.4.1 Gi i thi u ph ng pháp thi t k theo mô hình 38

2.3.4.2 T ng quan về hộp công cụ thi t k bộ l c s (FDATool) 39

2.3.4.3 Thi t k bộ l c s dụng giao di n FDATool 41

2.4 T NG QUAN V FPGA (ALTERA) VÀ PH N M M QUARTUS II 45

2.4.1 Lịch s ra đ i và phát triển của FPGA 45

2.4.2 Khái ni m FPGA 46

2.4.3 Ứng dụng FPGA 48

2.4.4 Ý nghĩa FPGA 48

2.4.5 Ph n mềm h tr thi t k Quatus II 49

2.5.1 Gi i thi u 51

2.5.2 Kit DE2 Cyclone IV EP4CE115F29C7N 52

2.5.3 C p nguồn cho kit DE2 55

2.6 GI I THI U NGÔN NG VHDL 55

2.6.1 Gi i thi u 55

2.6.2 C u trúc một mô hình h th ng mô t bằng VHDL 57

2.6.3 Cú pháp và ng nghĩa 59

2.6.3.1 Đ i t ng trong VHDL 59

2.6.3.2 Kiểu d li u trong VHDL 61

CH NG 3: THI T K VÀ THI CÔNG 62

3.1 GI I THI U 62

3.2 TÍNH TOÁN VÀ THI T K H TH NG 62

3.2.1 Thi t k s đồ kh i h th ng 62

3.2.2 Tính toán và thi t k bộ l c d ng FIR 62

3.2.2.1 K t c u cho các kiểu l c t n s d ng FIR: 62

3.2.2.2 C u hình t ng quát của bộ l c FIR 68

3.2.3 Thi t k bộ l c s d ng FIR theo ph ng pháp MBD 69

3.2.3.1 Xây d ng s đồ kh i 69

3.2.3.2 Thi t k , mô ph ng và chuyển mã VHDL 70

3.3 THI CÔNG H TH NG 80

3.3.1 Biên dịch ch ng trình trên Quartus II 80

3.3.2 S đồ kh i trên Quartus 83

3.3.3 Mô ph ng bộ l c dùng ModelSim 84

3.3.3.1 T ng quát về ph n mềm mô ph ng ModelSim 84

3.3.3.2 Mô ph ng m ch l c trên ModelSim 85

3.3.4 Th nghi m và kiểm tra 86

CH NG 4: K T QU - NH N XÉT - ĐÁNH GIÁ 87

4.1 K T QU 87

4.1.1 K t qu mô ph ng bộ l c trên Matlab 87

4.1.2 K t qu d ng sóng mô ph ng trên ModelSim 99

4.2 NH N XÉT – ĐÁNH GIÁ 99

CH NG 5: K T LU N VÀ H NG PHÁT TRIỂN 101

5.1 K T LU N 101

5.2 H NG PHÁT TRIỂN 101

TÀI LI U THAM KH O 102

PH L C 103

LI T KÊ HÌNH

Hình 2.1 C u t o tim ng i 4

Hình 2.2 H th ng d n truyền tim 5

Hình 2.3 Kh c c tâm nhĩ và s hình thành sóng P 7

Hình 2.4 Kh c c vách liên th t và s hình thành sóng Q 7

Hình 2.5 D ng sóng tín hi u đi n tim 10

Hình 2.6 Máy đó huy t áp kỹ thu t s s dụng Oscillometric 14

Hình 2.7 Thu th p tín hi u ECG từ các đi n c c 14

Hình 2.8 D ng sóng của b nh thi u máu cục bộ c tim 17

Hình 2.9 S đồ kh i của h x lý s 20

Hình 2.10 S đồ kh i của h x lý s phức t p 20

Hình 2.11 Ký hi u ph n t cộng 21

Hình 2.12 Ký hi u ph n t nhân 21

Hình 2.13 Ký hi u ph n t nhân v i hằng s 21

Hình 2.14 Ký hi u ph n t tr đ n vị 22

Hình 2.15 S đồ kh i bộ l c thông th p d ng chính tắc 24

Hình 2.16 S đồ kh i bộ l c thông th p d ng chuyển vị 24

Hình 2.17 Giao di n trình mô ph ng Simulink 35

Hình 2.18 Kh i Sine Wave và thông s cài đ t 36

Hình 2.19 Kh i Scope và màn hình hiển thị 36

Hình 2.20 Kh i Random Source và thông s cài đ t 37

Hình 2.21 Kh i Sum và thông s cài đ t 37

Hình 2.22 Kh i Gain và thông s cài đ t 38

Hình 2.23 Giao di n thi t k của FDATool 41

Hình 2.24 Thông s kỹ thu t bộ l c thông th p 43

Hình 2.25 Đáp tuy n biên độ_ t n s pha của bộ l c thông th p 44

Hình 2.26 Chuyển thi t k trên FDATool sang mã VHDL 45

Hình 2.27 Ki n trúc t ng quan của FPGA 46

Hình 2.28 C u trúc SRAM FPGA (SRAM Logic Cell) 47

Hình 2.29 C u trúc của OTP FPGA (OTP Logic Cell) 47

Hình 2.30 Giao di n ph n mềm Quatus II 50

Hình 2.31 Kit DE2-115 Altera 52

Hình 2.32 Adapter 9V- 1.3A 55

Hình 3.1 S đồ kh i của h th ng 62

Hình 3.2 Đ c tính biên độ t n s của bộ l c thông th p lý t ởng 63

Hình 3.3 Đ c tính biên độ t n s của bộ l c thông cao lý t ởng 65

Hình 3.4 Đ c tính biên độ t n s của bộ l c thông d i lý t ởng 67

Hình 3.5 C u hình t ng quát của bộ l c FIR đáp ứng xung h u h n 68

Hình 3.6 S đồ kh i chức năng của h th ng 69

Hình 3.7 Thông s của bộ l c thông th p d ng FIR 70

Hình 3.8 Thông s của bộ l c thông cao d ng FIR 71

Hình 3.9 Thông s của bộ l c thông d i d ng FIR 71

Hình 3.10 Ch n ch độ l c thông th p cho kh i mô ph ng 72

Hình 3.11 Kh i l c thông th p trong Simulink 72

Hình 3.12 Thi t l p mô ph ng l c nhi u thông th p ECG 73

Hình 3.13 Ch n ch độ thông cao cho kh i mô ph ng 74

Hình 3.14 Kh i l c thông cao trong Simulink 74

Hình 3.15 Thi t l p mô ph ng l c nhi u thông cao ECG 75

Hình 3.16 Ch n ch độ thông d i cho kh i mô ph ng 76

Hình 3.17 Kh i l c thông cao trong Simulink 76

Hình 3.18 Thi t l p mô ph ng l c nhi u thông d i ECG 77

Hình 3.19 Thi t l p mô ph ng l c nhi u ng u nhiên thông th p ECG 78

Hình 3.20 Chuyển mã VHDL theo s đồ kh i 79

Hình 3.21 Cài đ t chuyển mã VHDL từ FDATool 80

Hình 3.22 Thao tác add file trong quartus 81

Hình 3.23 Ch y kiểm tra l i Analysis & Synthesis 82

Hình 3.24 Biên dịch l i ch ng trình 83

Hình 3.25 Giao di n v s đồ kh i 83

Hình 3.26 V s đồ kh i trong Block Diagram 84

Hình 3.27 Giao di n ph n mềm ModelSim version 6.5 85

Hình 3.28 Hộp tho i đ t tên project ModelSim 85

Hình 3.29 Hộp tho i add file cho project trong ModelSim 85

Hình 3.30 Biên dịch file mô ph ng thành công 86

Hình 3.31 Quá trình t i c u hình xu ng FPGA 86

Hình 4.1 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông th p tr ng h p 1 87

Hình 4.2 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông th p tr ng h p 2 88

Hình 4.3 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông th p tr ng h p 3 89

Hình 4.4 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông th p tr ng h p 4 89

Hình 4.5 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông cao tr ng h p 1 90

Hình 4.6 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông cao tr ng h p 3 91

Hình 4.7 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông cao tr ng h p 2 91

Hình 4.8 Các d ng sóng của h th ng bộ l c thông cao tr ng h p 4 92

Hình 4.9 Các d ng sóng của h th ng dùng bộ l c thông d i 93

Hình 4.10 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông th p l n 1 94

Hình 4.11 Thi t l p mô ph ng l c nhi u ng u nhiên thông th p ECG có khu ch đ i 94

Hình 4.12 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông th p l n 2 95

Hình 4.14 Thi t l p mô ph ng l c nhi u ng u nhiên thông cao ECG có khu ch đ i 96Hình 4.15 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông th p l n 1 96Hình 4.16 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông th p l n 2 97Hình 4.17 Thi t l p mô ph ng l c nhi u ng u nhiên thông d i ECG có khu ch đ i 97Hình 4.18 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông d i l n 1 98Hình 4.19 D ng sóng của h l c nhi u ng u nhiên dùng l c thông d i l n 2 98Hình 4.20 D ng sóng mô ph ng trên ModelSim 99

LI T KÊ B NG

Bảng 2.1 Cấu trúc của bộ lọc có đáp tuyến xung hữu hạn 40

DANH M C CÁC T VI T T T

FPGA : Field – Program Gate Array

LPF : Low Pass Filter

HPF : High Pass Filter

BPF : Band Pass Filter

PLD : Programmable Logic Device

ASIC : Application-specific Integrated Circuit

GPIO : General Purpose Input Output

SPI : Serial Peripheral Interface

PWM : Pulse-width modulation

IFT : Interfacial Tension

DSP : Digital signal processing

CH NG 1: T NG QUAN

1.1 ĐẶT V N Đ

X lý tín hi u s (Digital Dignal Processing – DSP), hay t ng quát h n là x lý tín

hi u r i r c theo th i gian (Discrete-Time Signal Processing), là vi c x lý một tín hi u vào b t kỳ để thu đ c tín hi u ra mong mu n, nhằm đ t mục đích nh t định X lý tín

hi u ngày càng đóng vai trò quan tr ng trong nhiều ngành khoa h c và kỹ thu t, là động

l c thúc đ y s ti n bộ của nhiều ngành kỹ thu t cao nh : vi n thông, đa ph ng ti n, cũng nh góp ph n quan tr ng trong các lĩnh v c khác nh quân s , y h c, … Cùng v i

s bùng n của ngành công nghi p đi n t hi n nay, công ngh x lý tín hi u s DSP cũng bùng n nhanh chóng và r t phát triển Có thể nói, x lý tín hi u s là nền t ng cho

m i lĩnh v c và ch a có s biểu hi n bão hòa trong s phát triển của nó, v y nên, ngày nay, có nhiều ph n mềm (Matlab, Scilab, …) cũng nh ph n cứng (PC, Vi điều khiển, Arduino, FPGA, …) đ c dùng để x lý tín hi u s [1]

Công ngh FPGA (Field – Program Gate Array) là vi m ch dùng c u trúc m ng

ph n t logic mà ng i dùng có thể l p trình đ c FPGA chứa các logic cells th c hi n các m ch logic đ c k t n i v i nhau bởi ma tr n k t n i và chuyển m ch l p trình đ c Thi t k hay l p trình cho FPGA đ c th c hi n chủ y u bằng các ngôn ng mô t ph n cứng HDL, VHDL, VERILOG, … FPGA đ c xem nh một lo i vi m ch bán d n có nhiều u điểm h n hẳn các lo i bán d n xu t hi n tr c đó nh có tính linh động đ i

v i ng i dùng, giúp phát triển các gi i pháp t t h n mà không phụ thuộc vào ph n cứng của nhà s n xu t, ngoài ra, FPGA còn có thể tái c u trúc l i khi đang s dụng: ngoài kh năng tái c u trúc vi m ch toàn cục, một s FPGA hi n đ i còn h tr tái c u trúc cục bộ, tức kh năng tái c u trúc một bộ ph n riêng lẻ trong khi v n đ m b o ho t động bình

th ng cho các bộ ph n khác, công đo n thi t k đ n gi n, do v y chi phí gi m, rút ngắn

th i gian [1-2]

Tr c đó, đã có một s đề tài nghiên cứu về X lý tín hi u s dùng FPGA nh :

“Thi t k bộ l c tín hi u s trên công ngh FPGA v i công cụ Matlab và EDA của XILINX” [3], “Thi t k trên FPGA để lo i ồn cho tín hi u ECG nh bi n đ i sóng con” [4], “Thi t k bộ l c s trên dsPIC ứng dụng trong vi c x lý đi n tâm đồ” [5] Cụ thể, đề tài [3] dùng Matlab để thi t k bộ l c tín hi u s d ng FIR, dùng kit FPGA của hãng

Xilinx và ngôn ng VHDL để x lý tín hi u s Công trình [4] dùng phép bi n đ i wavelet r i r c (Discrete Wavelet Transform – DWT) để x lý tín hi u ECG, theo th i gian th c, trên nền FPGA hãng Xilinx Bên c nh đó, vi c s dụng Vi x lý dsPIC30F3012 để thi t k bộ l c thông th p và l c thông ch n nhằm l c nhi u cho tín

hi u ECG cũng đã đ c nghiên cứu trong đề tài [5]

Từ nh ng c sở lý thuy t đã tìm hiểu và nh ng công trình nghiên cứu tr c đó, thêm vào đó là nhu c u về l c nhi u tín hi u ECG, nhóm quy t định ch n đề tài: “THI T K ,

MÔ PH NG B L C NHI U TÍN HI U ĐI N TIM DÙNG MATLAB VÀ CHUYỂN

MÃ VHDL”

1.2 M C TIÊU

Xây d ng một bộ l c s trên nền t ng FPGA để l c nhi u tín hi u đi n tim ECG nhằm đem l i tín hi u xác th c nhằm h tr t t h n cho vi c khám ch a b nh Trong

đó, FPGA đ c xem nh là ph n cứng v i chức năng th c thi bộ l c nhi u cho tín hi u

đi n tim, còn Matlab đ c s dụng nh một công cụ để thi t k và mô ph ng bộ l c nhằm đánh giá kh năng th c hi n trong th c t

1.3 N I DUNG NGHIÊN C U

• N I DUNG 1: Nghiên cứu t ng quan về FPGA, ngôn ng VHDL, tín hi u ECG, các bộ l c thông cao, thông th p, thông d i

• N I DUNG 2: Nghiên cứu về kit FPGA Altera – DE2-115

• N I DUNG 3: Thi t k bộ l c và mô ph ng trên Matlab

• N I DUNG 4: Mô ph ng và th c thi bộ l c trên kit FPGA Altera – DE2-115

• Thi t k bộ l c thông th p, thông cao và thông d i cho tín hi u ECG

• Kho ng t n s bộ l c dao động từ 50–120Hz

• Nền t ng ph n cứng th c thi bộ l c dùng kit FPGA Altera – DE2-115

• Ch ng 3: Thi t k và thi công h th ng

Ch ng này tính toán thi t k h th ng, thi t k s đồ kh i, chức năng từng kh i

và th c thi ch ng trình trên FPGA

CH NG 2: C S LÝ THUY T

2.1 T NG QUAN V TÍN HI U ĐI N TIM ECG

2.1.1 Khái ni m v tín hi u đi n tim ECG

Một trong các tín hi u đi n sinh h c quan tr ng và kinh điển nh t ứng dụng trong

vi c ch n đoán và điều trị b nh là tín hi u đi n tim đồ (hay còn g i là đi n tâm đồ, ti ng Anh: Electrocardiogram hay th ng g i tắt là ECG hay EKG)

ECG là tín hi u đi n thu đ c từ các đi n c c gắn lên c thể ng i để đo các ho t động của tim ng i Khi tim đ p tác dụng lên các đi n c c t o ra các xung đi n Thông

th ng các xung đi n này r t nh do đó c n ph i khu ch đ i lên rồi m i đ c x lí Tín

hi u đi n tim đ c đ c tr ng bởi các d ng sóng đ c ký hi u P, Q, R, S, T và U [2, 3]

Do trái tim trong h tu n hoàn là bộ ph n có c u t o hoàn toàn bằng c M i khi

co l i trong quá trình b m máu, nó s t o ra một đi n tr ng sinh h c và truyền qua kh i

d n liên h p từ ng c, bụng t i bề m t da Vì th , chúng ta có thể đo đ c s chênh l ch

đi n th sinh h c này từ b t kỳ 2 điểm nào trên bề m t da Tín hi u thu đ c t i m i c p

2 điểm này đ c g i là một đ o trình của tín hi u đi n tim đồ Biên độ và d ng sóng của tín hi u ECG phụ thuộc vào c p đi n c c đ c đ t ở đâu trên bề m t da của b nh nhân

2.1.2 C u trúc gi i ph u và ch c năng c a tim

Hình 2.1 C ấu tạo tim người

Tim là một t chức c r ng gồm 4 buồng Bên ngoài đ c bao b c bởi một túi s i

g i là bao tim, bên trong đ c c u t o bằng c tim có vách ngăn chia tim thành hai n a

riêng bi t g i là tim trái và tim ph i Tim trái b m máu ra ngo i vi, còn tim ph i b m máu lên ph i M i n a tim l i đ c chia ra thành hai buồng, buồng trên là tâm nhĩ có thành m ng làm nhi m vụ chứa máu, buồng d i là tâm th t có thành dày, kh i c l n giúp cung c p l c đ y máu đi đ n các bộ ph n Gi a tâm nhĩ và tâm th t có van nhĩ th t,

gi a tâm th t trái và động m ch chủ, tâm th t ph i và động m ch ph i có van bán nguy t Các van này đ m b o cho máu chỉ di chuyển theo một chiều từ tâm nhĩ xu ng tâm th t, từ tâm th t xu ng động m ch chứ không cho đi ng c l i, nh v y đ m b o đ c s

+ Bó His: bắt đ u từ nút nhĩ th t đ n vách liên th t thì chia thành hai nhánh trái và

ph i ch y d i nội tâm m c hai th t để d n truyền xung động đ n hai th t, t i đây, chúng phân nhánh thành m ng l i Purkinje ch y gi a các s i c tim giúp d n truyền xung động xuyên qua các thành của th t Bó His phát xung kho ng 30-40

l n/phút

Hình 2.2 Hệ thống dẫn truyền tim

2.1.3 Nh p tim

Nhịp tim là s nhịp đ p của tim trên một đ n vị th i gian, th ng đ c tính bằng

s nhịp/phút Nhịp tim có thể thay đ i theo nhu c u h p thụ Oxi và bài ti t CO2 của c thể, ví dụ nh lúc t p thể dục và lúc ngủ

Tim là t chức c r ng, t i đó s co bóp một cách tu n t các c s t o ra áp l c

đ y máu đi qua các bộ ph n khác nhau trên c thể M i nhịp tim đ c kích thích bởi xung đi n từ các t bào nút xoang t i tâm nhĩ Các xung đi n truyền đ n các bộ ph n khác của tim và làm cho tim co bóp Vi c ghi tín hi u đi n tim là ghi l i các tín hi u

đi n này (tín hi u ECG)

2.1.4 C ác quá trình đi n h c c a tim

Năng l ng chuyển hóa đ c s dụng để t o ra môi tr ng trong giàu Kali nh ng

ít Natri so v i thành ph n ngo i bào Natri cao và Kali th p Do có s không cân bằng tồn t i đi n th tĩnh trên màng t bào, bên trong chừng 90mV so v i bên ngoài Khi t bào bị kích thích (bằng cách cho dòng đi n v n làm tăng t m th i th ngang màng), các tính ch t của màng thay đ i theo chu trình, pha thứ nh t của nó là độ th m m nh đ i v i Natri, dòng Natri l n (s m) ch y vào trong do các gradient khu ch tán và đi n

Dòng ch y t o ra dòng đi n Trong khi di chuyển ti p, t bào về c b n có tính

ch t nh nguồn l ỡng c c đi n Dòng Natri chuyển ti p này chịu trách nhi m về dòng

m ch đi n nội t i và là một ph n của dòng đi n đó Theo cách này, ho t động mở rộng

ti p t i các t bào lân c n Khi màng hồi phục (trở về các tính ch t nghỉ), th tác động của t bào k t thúc và nó trở l i tr ng thái nghỉ và có kh năng đ c tái kích thích Nói một cách ngắn g n khi có dòng Natri, Kali ch y qua màng tim thì có đi n th đ c sinh

2.1.5.2 Th t đ

Ngay khi nhĩ còn đang kh c c thì xung động đã bắt đ u truyền vào nút nhĩ

th t xu ng th t và hai nhánh bó His xu ng kh c c th t Sóng kh c c h ng từ

gi a m t trái đi xuyên qua m t ph i của vách liên th t Máy s ghi nh n đ c một sóng âm nh , g n g i là sóng Q (hình 2.4)

Xung ti p tục truyền xu ng và ti n hành kh c c đồng th i c hai tâm th t theo

h ng xuyên qua bề m t dày c tim, từ d i nội tâm m c ra d i th ng tâm m c

Véc-t kh c c h ng Véc-từ ph i sang Véc-trái và máy ghi nh n đ c mộVéc-t làn sóng d ng, cao và

nh n g i là sóng R Sau cùng, xung động truyền xu ng và kh c c vùng đáy th t

Véc-t kh c c h ng Véc-từ Véc-trái sang ph i, máy s ghi nh n đ c mộVéc-t sóng âm, nh và nh n

Hình 2.3 Kh ử cực tâm nhĩ và sự hình thành sóng P

Hình 2.4 Kh ử cực vách liên thất và sự hình thành sóng Q

g i là sóng S (hình 2.5)

Sau khi th t kh c c xong s qua th i kỳ tái c c ch m Giai đo n này đ c thể

hi n trên đi n tâm đồ bằng một đ ng đẳng đi n g i là đo n S – T (hình 2.6) Sau đó là

th i kỳ tái c c nhanh t o nên sóng T Tái c c có h ng xuyên qua c tim, từ l p d i

th ng tâm m c vào l p d i nội tâm m c Véc-t tái c c có h ng từ trên xu ng d i

và từ ph i sang trái t o ra một sóng d ng, th p, không đ i xứng mà có s n lên thoai

Hình 2.6 T ái cực tâm thất và sự hình thành sóng T Hình 2.5 Khử cực ở tâm thất và sự hình thành sóng R, S

tho i h n và s n xu ng d c đứng h n g i là sóng T Sau khi k t thúc sóng T còn có thể th y đ c một sóng ch m nh g i là sóng U đ c tr ng cho giai đo n tái c c muộn

2.1.6 S hình thành các d ng sóng c a tim

2.1.6.1 Tính d n truy n

Tim là một kh i c r ng gồm 4 buồng, dày m ng không đều nhau, c u trúc phức

t p làm cho tín hi u đi n của tim phát ra th c ch t là t ng h p của các s i c tim, phức

t p h n của một t bào hay một s i c

Nút SA là một chùm nh t bào (kho ng 3x10 mm) nằm ở cu i thành của tâm nhĩ, ngay d i điểm gắn vào của tĩnh m ch trên (đóng vai trò khởi phát) Nó cung c p tín

hi u kích thích truyền xung ra c nhĩ làm cho nhĩ kh c c, nhĩ bóp tr c đ y máu xu ng

th t V n t c truyền đ i v i th động năng của nút SA là kho ng 30cm/s trong mô tâm nhĩ Sau đó nút nhĩ th t Tawara (AV node: Aschoff - Tawara node) nh ti p nh n xung động s truyền qua bó His Có một bộ dãy mô chuyên bi t nằm gi a nút SA và AV, ở

đó v n t c truyền nhanh h n v n t c trong mô tâm nhĩ kho ng 51cm/s, con đ ng truyền

d n bên trong này mang tín hi u đ n các tâm th t Do tâm th t ph i ho t động đáp ứng

l i một động năng tr c khi tâm nhĩ r ng nên ở mức động năng 45cm/s s đ t đ n nút

AV trong kho ng 30 đ n 50ms sau khi phóng từ nút SA Sau đó nút AV ho t động gi ng

nh một gi i h n hoãn nhằm làm ch m l i ph n đ n tr c của th động năng cùng v i

h th ng d n đi n bên trong h ng đ n các tâm th t

Xung truyền qua hai nhánh c tâm th t nh m ng l i Purkinje và làm kh c c tâm th t Lúc này th t đã đ y máu s bóp m nh và đ y máu ra ngoài Tính d n đ ng các s i Purkinje r t nhanh Th động năng ch y qua kho ng cách gi a các nút SA và

AV là kho ng 40ms và bị làm ch m l i bởi nút AV kho ng 100ms sao cho kích ho t các ngăn d i có thể đồng bộ v i ph n tr ng của các ngăn trên Vi c d n vào các chùm nhánh thì khá nhanh gi định cho 60ms khác v n đ n các s i Purkinje xa nh t

2.1.6.2 Tính tr và các th i kì tr

Tính ch t chính của t bào c (phụ trách truyền d n) liên quan đ n s hình thành chứng lo n nhịp là s tr (không ph n ứng) đ i v i kích thích trong một giai đo n xác định nào đó Kho ng th i gian này đ c g i là chu kì tr

Trong su t chu kì tr , các t bào tái c c M t độ ion K+, Na+ bên trong và c bên ngoài thay đ i do các ion trên di chuyển qua màng t bào để t o đi n th nghỉ

Chu kì trơ có thể chia làm hai phần:

+ Giai đo n đ u ngay l p tức theo sau giai đo n kh c c, t bào hoàn toàn không

ph n ứng l i v i kích thích bên ngoài và đ c g i là giai đo n tr tuy t đ i (ARP

- Absolute Refractory Period)

+ Giai đo n sau là giai đo n s kh c c có thể th c hi n đ c m c dù đi n th t ng

đ i khá nh nên xung không đủ lan ra các t bào bên c nh Trong giai đo n này, t bào đ c g i là tr t ng đ i (RRP - Relative Refractory Period)

tr ng h p ch t trung gian có gi i h n, các điểm trên bề m t có véc-t m t độ dòng đi n khác nhau nên xem nh c u trúc của tim là một dipole Giá trị tức th i mô-men đi n (E) trong một chu kỳ làm vi c của tim t o một đ ng cong không gian phức t p khép kín Lúc đó đi n tr ng của tim đ c biểu di n bằng nh ng đ ng đẳng áp

Vì th đi n th tim có thể đo gián ti p nh các đi n c c đ t lên nh ng điểm xác định trên bề m t c thể N u nh ta đ t tim vào trong một h t a độ vuông góc ba chiều thì hình chi u đ ng cong của không gian này lên c ba m t phẳng đều có d ng ba

đ ng cong có tên là P, QRS, T Véc-t t o đ ng cong trên m t phẳng chính di n này bằng chính véc-t đi n tim Ph ng pháp này đ c g i là đi n tim đồ

2.1.7 Các thành ph n c a tín hi u đi n tim ECG

Trong hình 2.5 là tín hi u ECG gồm các thành ph n:

Hình 2.5 Dạng sóng tín hiệu điện tim

• Sóng P: thể hi n quá trình kh c c ở tâm nhĩ trái và ph i, sóng P có d ng một

đ ng cong đi n th d ng, kéo dài kho ng 0.06 đ n 0.1 giây

• Đoạn PR: là đo n từ điểm bắt đ u sóng P đ n tr c điểm bắt đ u phức QRS Nó

bao gồm th i gian kh c c tâm nhĩ và d n đ n nút AV Đo n PR kéo dài kho ng 0.12

đ n 0.2 giây

• Phức QRS: thể hi n quá trình kh c c tâm th t, kéo dài kho ng 0.04 đ n 0.1 giây

Phức QRS chia ra ba tr ng thái là Q, R và S

• Đoạn ST: từ lúc k t thúc quá trình kh c c tâm th t đ n tr c qua trình tái phân

c c Điểm bắt đ u g i là điểm J, điểm k t thúc g i là điểm ST

• Sóng T: thể hi n quá trình tái phân c c tâm th t Vì quá trình này có t c độ ch m

h n kh c c nên sóng T rộng và có độ d c th p

• Sóng U: hi n nay nguồn g c hình thành sóng này ch a đ c xác định rõ ràng vì

th ít đ c đề c p t i

M i thành ph n này có đ c tr ng riêng, đáp ứng riêng nh ng có chung đ c điểm đều là các hi n t ng đi n sinh v t Hi n t ng đi n sinh v t là quá trình hoá lý, hoá sinh phức t p x y ra bên trong và ngoài màng t bào

m nh h n nhiều nên trên đi n tim đồ thông th ng ta không nhìn th y đ c sóng Ta

n a Tóm l i, nhĩ đồ có nghĩa là s ho t động của nhĩ chỉ thể hi n lên đi n tim bằng một làn sóng chính là sóng P [1]

- Th t đ :

• Khử cực: X y ra ngay khi nhĩ đang còn kh c c rồi bắt vào nút nhĩ-th t rồi truyền

qua th t và hai nhánh bó His xu ng kh c c th t Vi c kh c c này bắt đ u từ ph n gi a

m t trái vách liên th t xuyên sang m t ph i vách này, t o ra một véc-t kh c c đ u tiên

h ng từ trái sang ph i, t o ra một làn sóng âm nh , nh n, g i là sóng Q

Xung truyền xu ng và ti n hành kh c c đồng th i c hai tâm th t theo h ng xuyên qua bề m t dày c tim, từ l p d i nội tâm m c ra d i th ng tâm m c Lúc này véc-t kh c c h ng nhiều về bên trái h n vì th t trái dày h n vì tim nằm nghiêng

h ng trục gi i ph u về bên trái Véc-t kh c c lúc này h ng từ ph i sang trái và máy ghi đ c một làn sóng d ng cao, nh n, g i là sóng R

Sau đó, kh c c vùng đáy th t l i h ng từ trái sang ph i, t o một véc-t h ng từ trái sang ph i: ghi đ c một làn sóng âm, nh , nh n, g i là sóng S

Tóm l i, kh c c th t bao gồm ba làn sóng cao, nh n Q, R, S bi n thiên phức t p nên đ c g i là phức bộ QRS (QRS complex) Vì nó có sức đi n động t ng đ i l n l i

bi n thiên nhanh trong một th i gian ngắn (chỉ kho ng 0.07s) nên còn g i là phức bộ nhanh, c n chú ý là trong phức bộ nhanh, sóng chính l n nh t là sóng R

N u ta đem t ng h p 3 véc-t kh c c Q, R, S ở trên l i, ta s đ c một véc-t

kh c c trung bình có h ng từ trên xu ng d i và từ ph i sang trái, t o v i đ ng ngang một góc kho ng 85°, véc-t đó còn đ c g i là trục đi n trung bình của tim, hay

g i tắt là trục đi n tim, trục QRS

• Tái cực: Th t kh c c xong s qua th i kỳ tái c c ch m, thể hi n trên đi n tâm

đồ bằng một đo n thẳng đồng đi n g i là đo n ST, sau đó đ n th i kỳ tái c c nhanh Tái c c có h ng xuyên qua c tim, từ l p d i th ng tâm m c vào l p d i nội tâm m c Tái c c ng c chiều v i kh c c do nó ti n hành đúng vào lúc tim co bóp v i

c ng độ m nh nh t, làm cho l p c tim d i nội tâm m c bị l p ngoài nén quá m nh nên tái c c muộn đi Trái v i kh c c, tái c c ti n hành từ vùng đi n d ng t i vùng

đi n âm Véc-t tái c c h ng từ trên xu ng d i và từ ph i sang trái làm phát sinh một làn sóng d ng th p g i là sóng T [1]

Sóng T không đ i xứng, mà có s n lên tho i h n và s n xu ng d c đứng h n

Th i gian của nó r t dài nên nó đ c g i là sóng ch m Sau khi T k t thúc, có thể còn

th y một sóng ch m nh g i là sóng U Ng i ta cho rằng sóng U là một giai đo n muộn của tái c c, vì th trong nhiều tr ng h p không xét đ n

Tóm l i, th t đồ có thể đ c chia làm hai giai đo n:

+ Giai đo n kh c c, bao gồm phức bộ QRS và còn đ c g i là pha đ u

+ Giai đo n tái c c, bao gồm ST và T (và c sóng U), đ c g i là pha cu i

2.1.8 C ác d i t n trong tín hi u đi n tim ECG

D ng sóng ECG là một trong nh ng d ng sóng quan tr ng nh t khi theo dõi b nh nhân Các thi t bị khác nhau s theo dõi các đ o trình đi n tim khác nhau Máy đi n tim chuyên dụng có thể theo dõi đ y đủ 12 đ o trình Máy thông th ng n u s dụng 3 đi n

c c thì theo dõi đ c 3 đ o trình, dùng 5 đi n c c thì theo dõi đ c 7 đ o trình

Ph t n s của tín hi u đi n tim chu n nằm từ 0,05Hz đ n 100Hz, tuy nhiên tùy từng ứng dụng mà ng i ta quan tâm đ n từng d i ph nh t định Đa s b nh t t liên quan đ n tim m ch để có đủ thông tin cho ch n đoán của bác sĩ thì vùng ph th ng từ 0,5Hz đ n 80Hz, một vài b nh c c kỳ đ c bi t thì nằm ở vùng ph đ n 100Hz và cao

h n

Xét các kho ng t n s cụ thể trong bi n thiên nhịp tim:

+ Độ l n bi n thiên nhịp tim ở dãy t n s cao (HF), nằm trong kho ng 0.15 – 0.4 Hz, độ dài chu kỳ 2.5 – 6 giây Biểu hi n ho t động th n kinh đ i giao c m trong điều hoà hô h p

+ Độ l n bi n thiên nhịp tim ở dãy t n s th p (LF), nằm trong kho ng 0.04 – 0.15

Hz, độ dài chu kỳ > 6 giây Biểu hi n ho t động th n kinh giao c m và th n kinh

đ i giao c m Tuy v y, khi tăng LF, ng i ta th ng th y s thay đ i ho t tính giao c m Vùng này cũng biểu hi n k t qu tác động của ph n x thụ thể áp l c và quá trình điều hoà huy t áp

+ Độ l n bi n thiên nhịp tim ở dãy t n s r t th p (VLF), nằm trong kho ng 0.003 – 0.04 Hz, độ dài chu kỳ > 25 giây Vùng này biểu hi n c ch điều hoà của th n kinh giao c m và th n kinh đ i giao c m lên quá trình điều hoà thân nhi t

+ Độ l n bi n thiên nhịp tim ở dãy t n s c c th p (ULF), nằm trong kho ng 0- 0.003

Hz, độ dài chu kỳ > 5 gi Vùng này biểu hi n mức tiêu thụ oxy trong ho t động thể l c

- T ng độ l n bi n thiên nhịp tim trên các d i t n s (TF), từ 0 – 0.4Hz Đáp ứng t n s của th n kinh đ i giao c m biểu thị trên c d i rộng t n s trong khi th n kinh giao c m biểu thị ở vùng t n s th p d i 0.15Hz

Trong vùng t n s tín hi u đi n tim thu đ c bị nh h ởng bởi r t nhiều lo i nhi u

nh nhi u nguồn đi n 50Hz từ m ng đi n công, nhi u t n s cao do các rung động của

c bắp, nhi u t n s th p gây trôi tín hi u do nhịp thở, nhi u do ti p xúc không t t gi a

b nh nhân và đi n c c, …

2.1.9 Các ph ng pháp đo tín hi u ECG

2.1.9.1 Ph ng pháp Oscillometric

Ph ng pháp này th ng ph i đo nhịp tim chung v i huy t áp D a trên c m bi n

áp su t gắn vào bắp tay ng i c n đo (n i có động m ch ch y qua), d a vào s thay đ i

l u l ng máu ch y qua động m ch thu đ c tín hi u đi n Tín hi u đi n thu đ c từ

c m bi n áp su t thay đ i đồng bộ v i tín hi u nhịp tim Chu kỳ thay đ i của tín hi u này bằng đúng chu kỳ tín hi u nhịp tim Từ đó thu đ c tín hi u đi n tim

2.1.9.2 Ph ng pháp đi n tim đ

Chính vì c u trúc đ c tr ng và các đ c điểm của tim mà đi n th tim có thể đo gián

ti p nh các đi n c c đ t lên nh ng điểm xác định trên bề m t c thể N u nh ta đ t tim vào trong một h t a độ vuông góc ba chiều thì hình chi u đ ng cong của không gian này lên c ba m t phẳng đều có d ng ba đ ng cong có tên là P, QRS, T (và có thể

có sóng U) Véc-t t o đ ng cong trên m t phẳng chính di n này bằng chính véc-t

đi n tim Các tín hi u thu đ c từ các đi n c c s đ c x lý và hiển thị trên máy đo

đi n tim

Hình 2.6 Máy đó huyết áp kỹ thuật số sử dụng Oscillometric

Hình 2.7 Thu thập tín hiệu ECG từ các điện cực

2.1.9.3 Ph ng pháp h p th quang h c

Khi tim đ p, máu s đ c đ y đi khắp c thể qua động m ch, t o ra s thay đ i về

áp su t trên thành động m ch và l ng máu ch y qua động m ch Vì v y, ta có thể đo nhịp tim bằng cách đo nh ng s thay đ i đó

Khi l ng máu trong thành động m ch thay đ i s làm thay đ i mức độ h p thụ ánh sáng của động m ch, do đó khi một tia sáng đ c truyền qua động m ch thì c ng độ ánh sáng sau khi truyền qua s bi n thiên đồng bộ v i nhịp tim

Khi tim giãn ra, l ng máu qua động m ch nh nên h p thụ ít ánh sáng, ánh sáng sau khi truyền qua động m ch có c ng độ l n Ng c l i khi tim co vào, l ng máu qua động m ch l n h n, ánh sáng sau khi truyền qua động m ch s có c ng độ nh

h n

Ánh sáng sau khi truyền qua ngón tay gồm 2 thành ph n AC và DC:

+ Thành ph n DC đ c tr ng cho c ng độ ánh sáng c định truyền qua mô, x ng

bi n h n vì nguyên lý d hiểu, d th c hi n và k t qu t ng đ i chính xác

2.1.10 C ác lo i nhi u tác đ ng đ n tín hi u đi n tim

Tín hi u đi n tim là d ng tín hi u có biên độ nh nên r t d bị nh h ởng bởi các

lo i nhi u khác nhau Có thể kể đ n các lo i nhi u nh : nhi u từ m ng cung c p đi n, nhi u sóng c do b nh nhân m t bình tĩnh khi đo gây ra, nhi u do ti p xúc không t t

gi a đi n c c và b nh nhân, nhi u do tồn t i 2 nguồn t o tín hi u đi n tim trong cùng một c thể nh ghép tim ho c mang thai, nhi u t n s cao do các rung động của c bắp, nhi u t n s th p gây trôi tín hi u do nhịp thở…Tuy nhiên qua kh o sát và th c nghi m

ng i ta th y rằng l c nhi u từ m ng đi n công nghi p là c n thi t nh t vì tính ph bi n cũng nh khó kiểm soát của nó Các lo i nhi u còn l i có d i t n n định nên có thể l c

b bằng các bộ l c c định D i đây chỉ xin gi i thi u một vài lo i nhi u th ng g p trong y t :

* Nhi u do ti p xúc kém gi a đi n c c và b nh nhân:

Nguyên nhân của lo i nhi u này chủ y u là do ti p xúc kém gi a đi n c c và da Bề m t của da r t gồ ghề, l p biểu bì có c các t bào ch t, bụi b m…Bên c nh đó, mồ hôi luôn đ c ti t ra ngoài theo l chân lông, mà lông m c từ d i da, mang theo các ion t o nên đi n th ti p xúc L p ti p xúc mang đi n th này nh h ởng đ n các đi n

th thu đ c trong tín hi u đi n tim gây ra nhi u

* Nhi u do run c :

Khi đo đi n tâm đồ b nh nhân lo s , căng thẳng s gây run c t o nên nhi u sóng

c Lo i nhi u này có d i t n từ 20Hz - 30Hz nên có thể l c b bằng bộ l c chắn d i

* Nhi u t n s 50Hz t m ng đi n công nghi p:

- Các đặc tính của nhiễu tần số 50Hz:

Thông tin có ích luôn nằm ở d i t n th p từ 0.05Hz – 100Hz, trong khi m ng đi n công nghi p có t n s 50Hz vì th tín hi u ECG luôn bị tác động bởi tín hi u có t n s 50Hz từ m ng đi n công nghi p

Lo i nhi u này r t hay g p vì m ng đi n công nghi p luôn có m t ở khắp các b nh

vi n, phòng khám…tác động tr c ti p lên máy đo đi n tim

- Tác hại của nhiễu tần số 50Hz:

Nhi u do dòng đi n xoay chiều của m ng đi n công nghi p có t n s 50Hz (có một

s qu c gia khác là 60Hz) th ng là nhi u trắng Lo i nhi u này tác động tr c ti p gây sai l ch tín hi u đi n tim

Gi ng nh các lo i nhi u khác, nhi u từ m ng đi n công nghi p gây sai l ch nhiều cho tín hi u đi n tim và ngoài ra còn r t d g p ở m i n i nên c n ph i x lý tri t để

Lo i nhi u này gây ra nh ng tác h i nh sau: làm sai l ch chu kỳ, t n s của tín

hi u khi n cho vi c ch n đoán b nh g p ít nhiều khó khăn Làm sai l ch d ng sóng của phức QRS – một trong nh ng d ng sóng quan tr ng của ECG Ngoài ra khi bị nhi u,

d ng sóng tái c c T của ECG s bị sai, nh h ởng l n đ n vi c xác định các đ o trình ECG, từ đó gây sai l ch toàn bộ tín hi u

Xét các ví dụ trong chuẩn đoán bệnh:

Trong thi u máu c tim: ST h xu ng, T cao nh n, đ i xứng, trong thi u máu d i

th ng tâm m c

Hình 2.8 Dạng sóng của bệnh thiếu máu cục bộ cơ tim

Trong nhồi máu c tim c p:

+ D ng 1: Q rộng và sâu, ST chênh lên, T âm

Tín hi u s (Digital) là một nhóm xung đ c mã hóa theo giá trị l ng t của tín

hi u t i các th i điểm r i r c cách đều nhau Trong đó, giá trị l ng t là tín hi u chỉ

nh n các giá trị xác định bằng s nguyên l n một giá trị c sở

M i xung của tín hi u s biểu thị một bit của từ mã, nó chỉ có hai mức đi n áp, mức th p là giá trị logic “0”, mức cao là giá trị logic “1” S xung (s bit) của tín hi u

s là độ dài của từ mã Tín hi u s có 8 bit đ c g i là một byte, còn tín hi u s có 16 bit bằng hai byte đ c g i là một word

Tín hi u s th ng đ c mã hóa theo mã nhị phân (Binary Code), mã c s tám (Octal Code), mã c s m i sáu (Hexadecimal Code), mã nhị th p phân (Binary Coded

Decimal), mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange), …

Nh v y, tín hi u s là tín hi u r i r c, có giá trị l ng t và đ c mã hóa Do đó

có thể bi n đ i tín hi u liên tục thành tín hi u s , quá trình đó đ c g i là s hóa tín hi u liên tục Quá trình s hóa tín hi u liên tục đ c th c hi n qua 3 b c là:

- R i r c hóa tín hi u liên tục, hay còn g i là l y m u

- L ng t hóa giá trị các m u

- Mã hóa giá trị l ng t của các m u

C ba b c của quá trình s hóa tín hi u liên tục đ c th c hi n trên bộ bi n đ i

t ng t s , vi t tắt là ADC (Analog Digital Converter)

* Bi u di n tín hi u s :

Tín hi u s là hàm của bi n th i gian r i r c x(nT), trong đó n là s nguyên, còn

T là chu kỳ r i r c Để thu n ti n cho vi c xây d ng các thu t toán x lý tín hi u

s , ng i ta chu n hóa bi n th i gian r i r c nT theo chu kỳ T, nghĩa là s dụng

bi n n = (nT/T) Khi đó, tín hi u s x(nT) đ c biểu di n thành d ng dãy s x(n),

do đó có thể s dụng các biểu di n của dãy s để biểu di n tín hi u s , cũng nh

s dụng các phép toán của dãy s để th c hi n tính toán và xây d ng các thu t toán x lý tín hi u s

Gi ng nh dãy s x(n), tín hi u s có thể đ c biểu di n d i các d ng hàm s ,

b ng s li u, đồ thị và dãy s li u Ng i ta th ng biểu di n tín hi u s d i d ng dãy

s li u có độ dài h u h n để x lý tín hi u s bằng các ch ng trình

ph n mềm

Các phép toán c b n đ c s dụng trong x lý tín hi u s là cộng, nhân, nhân v i hằng s , và phép tr Phép dịch s m có thể đ c s dụng ở các h x lý s bằng ph n mềm trong th i gian không th c

- Tín hi u s là dãy ch n, và dãy lẻ

- Tín hi u s là dãy đ i xứng, và dãy ph n đ i xứng

Ngoài ra, theo giá trị năng l ng và công su t của tín hi u s , ng i ta còn phân

Để nghiên cứu, phân tích ho c t ng h p các h x lý s , ng i ta coi h x lý s

là một hộp đen và mô t nó bằng quan h gi a tác động trên đ u vào và ph n ứng trên

đ u ra của h , quan h đó đ c g i là quan h vào ra Quan h vào ra của h x lý s có thể đ c mô t bằng biểu thức toán h c, và thông qua nó có thể xây d ng đ c s đồ

kh i ho c s đồ c u trúc của h x lý s

* Mô t h x lý s bằng quan h vào ra:

Xét một h x lý s có tác động x(n) và ph n ứng y(n), khi đó quan h gi a chúng

có thể đ c mô t bằng hàm s toán h c F( ):

y(n) = F [ x(n) ]

Theo đó, ph n ứng y(n) phụ thuộc vào d ng của hàm s F() D ng của hàm s F()

ph n nh c u trúc ph n cứng ho c thu t toán ph n mềm của h x lý s ,

vì th ta có thể dùng hàm s F() để mô t h x lý s Quan h vào ra có d ng

t ng quát cụ thể nh sau:

y(n) = F[ , b k x(n - k) , , a r y(n - r), ]

Trong đó:

- Các thành ph n của tác động bk x(n - k) v i k ∈ (- ∞ , ∞)

- Các thành ph n của ph n ứng bị gi ch m ar y(n - r) v i r ∈ (1 , ∞)

- Các h s ar và bk có thể bằng 0, có thể là hằng s , có thể phụ thuộc vào tác động x(n),

ph n ứng y(n), ho c bi n th i gian r i r c n

* Mô t h x lý s bằng s đ kh i:

(2.1)

(2.2)

H x lý s có thể đ c mô t bằng s đồ kh i nh trên hình 2.13

H x lý s phức t p có thể đ c mô t bằng s đồ kh i v i s liên k t của

nhiều kh i Fi() nh hình 2.14

Hình 2.10 Sơ đồ khối của hệ xử lý số phức tạp

N u thay các biểu thức Fi() của s đồ kh i trên bằng chức năng của các kh i thì đó là s đồ kh i chức năng

Về ph ng di n ph n cứng thì s đồ kh i cho bi t c u trúc t ng thể của h x lý

s , còn s đồ c u trúc cho phép thi t k và th c hi n một h x lý s cụ thể Về ph ng

di n ph n mềm thì s đồ kh i chính là thu t toán t ng quát của một ch ng trình x lý

s li u mà m i kh i có thể xem nh một ch ng trình con, còn s đồ c u trúc là thu t toán chi ti t mà từ đó có thể vi t đ c các dòng l nh của một ch ng trình ho c ch ng trình con Các ph n t c u trúc đ c xây d ng trên c sở các phép toán đ i v i các dãy

s là cộng, nhân, nhân v i hằng s , dịch tr

Phần tử cộng: Ph n t cộng dùng để cộng hai hay nhiều tín hi u s , nó là ph n t

không nh và đ c ký hi u nh hình d i

Hai hình d i trình bày m ch ph n cứng có bộ cộng hai tín hi u s Chúng là vi

m ch cộng hai dãy s mã nhị phân 4 bit ho c 8 bit

Hình 2.9 Sơ đồ khối của hệ xử lý số

Phần tử nhân: Ph n t nhân dùng để nhân hai hay nhiều tín hi u s , nó là ph n t

không nh và đ c ký hi u nh hình:

Hình 2.12 Ký hiệu phần tử nhân

M ch ph n cứng có bộ nhân hai tín hi u s nh ở hình 2.16 là vi m ch nhân hai s

mã nhị phân 4 bit ho c 8 bit

Phần tử nhân với hằng số: Ph n t nhân v i hằng s dùng để nhân một tín hi u s

v i một hằng s , nó là ph n t không nh và đ c ký hi u nh hình:

Hình 2.13 Ký hiệu phần tử nhân với hằng số

Để nhân tín hi u s x(n) v i hằng s a, s dụng bộ nhân hai s v i một đ u vào và tín hi u s x(n), còn đ u vào kia là giá trị mã của a

Phần tử trễ đơn vị: Ph n t tr đ n vị dùng để gi tr tín hi u s x(n) một m u, nó

là ph n t có nh và đ c ký hi u nh ở hình:

Đ i v i m ch ph n cứng, để th c hi n gi tr tín hi u s x(n), ng i ta s dụng bộ

ghi dịch, thanh ghi ch t ho c bộ nh , chúng th ng đ c s n xu t d i d ng vi m ch

s 4 bit ho c 8 bit

2.2.2.2 H x lý s đ quy và không đ quy

∗ H x lý s không đ quy: là h có ph n ứng y(n) chỉ phụ thuộc vào tác động

x(n) H x lý s nhân qu không đ quy có quan h vào ra (y(n) = F[ b 0 x(n), , b k x(n

- k) , , a r y(n - r),  v i k  1, r  1) không có các thành ph n của ph n ứng ở quá

khứ a r y(n - r):

y(n) = F[b0 x(n), b1x(n - 1), , bk x(n - k) , ]

⇒ Quan h vào ra nh hàm trên đ c g i là quan h vào ra không đ quy

∗ H x lý s đ quy: là h có ph n ứng y(n) phụ thuộc vào c tác động b k x(n – k) l n ph n ứng ở quá khứ a r y(n – r)

H x lý s nhân qu đ quy có quan h vào ra v i r ≥ 1:

Y(n) = F[b0 x(n) , …, bk x(n – k) , …, ar y(n – r), …]

⇒ Quan h vào ra nh hàm trên đ c g i là quan h vào ra đ quy

2.2.3 T ng quan v b l c s

Trong x lý tín hi u, bộ l c s là một h th ng th c hi n các phép bi n đ i toán

h c trên tín hi u đã đ c l y m u (tín hi u r i r c theo th i gian) để thay đ i hình d ng của tín hi u

Bộ l c s là một h th ng làm bi n d ng s phân b t n s các thành ph n của tín

hi u theo chỉ tiêu cho tr c

Một tín hi u có đ u vào là x(n) đi qua h th ng có đáp ứng xung h(n) thì đ u vào

= ℎ ∗ = ෍ ℎ −

∞

=Quan h này nói rằng chiều dài của h(n) r t quan tr ng, các h s h(n) là đ c tr ng cho c h th ng Chính vì th ng i ta phân lo i các h th ng thành hai lo i tùy theo chiều dài của đáp ứng xung h(n):

- FIR (Finite-Duration Impulse Response): h th ng đ c tr ng bởi đáp ứng xung có

chiều dài h u h n, tức là h(n) khác 0 trong một kho ng có chiều dài h u h n N (từ 0

⇒ Bộ l c IIR mang tính t ng quát h n bộ l c FIR vì IIR là bộ l c đ quy còn bộ l c FIR

là bộ l c không đ quy

D a vào đáp ứng t n s mà chia các bộ l c thành các lo i khác nhau: L c thông

th p, l c thông cao, l c thông d i

Trong đó: b ih s của bộ l c

k là chiều dài của bộ l c

Phương trình sai phân:

y[n] = b0x[n] + b1x[n-1] + b2x[n-2] + bk-1x[n – k +1]

S ơ đồ khối của bộ lọc LPF:

b1 x(n-1)

Chú thích các kh i trong s đồ:

Kh i cộng Kh i Delay Kh i nhân

Đáp ứng tần số đáp ứng xung của bộ lọc thông thấp:

Matlab làm vi c chủ y u v i ma tr n Ma tr n cỡ mxn là b ng ch nh t gồm mxn

s đ c sắp x p thành m hàng và n cột Matlab có thể làm vi c v i nhiều kiểu d li u khác nhau V i chu i kí t Matlab cũng xem là một dãy các kí t hay là dãy mã s của các ký t

Matlab dùng để gi i quy t các bài toán về gi i tích s , x lý tín hi u s , x lý đồ

h a, … mà không ph i l p trình c điển

Hi n nay, Matlab có đ n hàng ngàn l nh và hàm ti n ích Ngoài các hàm cài s n trong chính ngôn ng , Matlab còn có các l nh và hàm ứng dụng chuyên bi t trong các Toolbox, để mở rộng môi tr ng Matlab nhằm gi i quy t các bài toán thuộc các ph m trù riêng Các Toolbox khá quan tr ng và ti n ích cho ng i dùng nh toán s c p, x lý tín hi u s , x lý nh, x lý âm thanh, ma tr n th a, logic m , …

V i Matlab, bài toán tính toán, phân tích, thi t k và mô ph ng trở nên d dàng

h n trong nhiều lĩnh v c chuyên ngành nh : Đi n, Đi n t , C khí, C đi n t , …

Các ưu điểm của Matlab:

- Matlab là công cụ tính toán r t m nh, tr c quan, d dùng, mở rộng và phát triển

- Matlab có kh năng liên k t đa môi tr ng, liên k t d dàng v i ngôn ng l p trình C++, Visual C, FORTRAN, JAVA, …

- Matlab có kh năng x lý đồ h a m nh trong không gian hai chiều và ba chiều

- Các TOOLBOX trong Matlab r t phong phú, đa năng là công cụ nghiên cứu, thi t k

Trong Matlab, M-file là các file ch ng trình đ c so n th o và l u ở d ng văn

b n Có hai lo i M-file là Script file (file l nh) và Function file (file hàm) C hai đều

có phền tên mở rộng là “.m” Matlab có r t nhiều M-file chu n đ c xây d ng s n

Ng i dùng cũng có thể t o các M-file m i tùy theo nhu c u s dụng D i đây là ph n

gi i thi u s l c về hai lo i M-file

* Script file:

Thay vì nh p và th c thi từng câu l nh t i c a s Command Window, ta có thể

so n th o (trong ph n Editor) và l u t t c các câu l nh c n thi t để gi i bài toán vào một file g i là Script file Sau đó, khi c n ch y các câu l nh đã l u, ta chỉ c n gõ tên file vào Command Window để th c thi toàn bộ ch ng trình

Các b c t o và th c thi một Script file:

• Cách 3: Trong Command Window gõ l nh edit

• Cách 4: Nháy chuột vào icon New Script

- Bước 2: L u Script file đã so n th o xong

T p tin Script file có ph n mở rộng là “.m”, và đ c l u vào th mục hi n hành

N u không có s l a ch n khác thì th mục hi n hành đ c m c định là th mục work của Matlab Ngoài ra, ng i dùng cũng có thể l a vào b t cứ n i nào trong máy tính,

nh ng tránh để g p nh ng tr ng h p h i khi ch y (run) ch ng trình thì khuy n cáo

l u vào th mục m c định Tên t p tin ph i bắt đ u bằng ký t ch cái, không có kho ng

tr ng gi a các ký t (gi ng quy định về tên bi n trong Matlab)

- Bước 3: Ch y t p tin Script file

Có hai cách g i th c hi n Script file:

• Cách 1: Trong c a s so n th o Editor click nút Run trên thanh Toolbar.

• Cách 2: Trong c a s Command Window gõ tên file (không bao gồm ph n mở rộng “.m”), sau đó nh n Enter để th c thi

L u ý: dù g i th c hi n Script file theo cách nào thì Matlab cũng đều xu t k t qu tính toán t i c a s Command Window

Mở một M-file đã lưu:

Trong quá trình thục thi ch ng trình, khi ng i dùng có nhu c u mở l i một file đã có để xem ho c chỉnh s a s có các cách nh sau: