Xử lý tín hiệu thời gian thực sử dụng TMS320C6416T DSK

Ưu điểm của xử lí tín hiệu thời gian thực là hệ sẽ có những đáp ứng gần như là tức thời với tín hiệu, như thế rất đảm bảo yêu cầu cho các hệ đo lường và điều khiển.. K ĩ THUẬT LỌC SỐ DIG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN

* * * * * * * * *

XỬ LÍ TÍN HIỆU THỜI GIAN THựC s ử DỤNG

TMS320C6416T DSK (Real-time signal processes using TMS320C6416T)

MÃ SỐ: QT-07-18

CHU TRi ĐÊ TÀI :

CÁC CÁN BÔ THAM GIA:

THS ĐÔ TRUNG KIÈN THS NGUYỄN ANH ĐỨC

< N LÊ QUANG THẢO

CN PHẠM VÃN THÀNH

• Q U Ố C S I A H À N Ó I j : \ c - , T Ã V T H C N G ’ I N T H Ư V Ẻ N

D 7 1 M -

HÀ NỘI - 2007

1 Báo cáo tóm tát (tiếng Việt)

d Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Xây dựng hệ lọc số tín hiệu thời gian thực thực hiện trên bo mạch TMS320C6416T

e Các kết quả đạt được

■ 01 báo cáo Hội nghị Khoa học Đại học Sư phạm 2, 2007:

Bộ lọc số radar FIR/IIR xử lí thời gian thực sử dụng bo mạch

TMS320C6416T DSK

■ 01 hệ xử lí tín hiệu thời gian thực sử dụng bo-mạch DSP TMS320C6416T

■ 01 khóa luận tốt nghiệp sinh viên khóa K48, 2007

f Tình hình kinh phí của đề tài: Đã thanh toán hét kinh phí của đề tài

Chi phí hết kinh phí tạm ứng của đề tài là: 20.000.000VNĐ

2 Summary (by English)

a Project, code

R e a l-tim e sig n a l p ro cesses u sin g T M S 3 2 0 C 6 4 1 6 T

b Main responsible person

MS Do Trung Kien, Faculty of Physics,

Hanoi University of Science (HUS), Hanoi National University

c Incorporated members

MS Nguyen Anh Due

BA Le Quang Thao

BA Pham Van Thanh

d Purposes and contents

Design the real-time filters using the TMS320C6416T

e Results

• 01 report of Science Conference of Hanoi Pedagogical University N"2

Radar real-time filters using board TM S320C6416T DSK

• Design 01 real-time filters system

■ 01 thesises of undergraduated student K48, 2007

3

Mục lụ c 4

Bảng chú giải từ quan trọng và viết tắt 5

Mục tiêu đề t à i 6

Các kết quả chính 7

1 Kĩ thuật lọc số (Digital filters) 7

2 Lọc FIR và I I R 10

3 Thiết kế bộ lọc trên TMS320C6416T DSK [ 2 ] 12

4 Kết quả thực n g h iệ m 14

Kết lu ận - 18

Tài liệu tham khảo 19

Phụ lục 20

Tóm tắt các công trình NCKH cùa cá n h â n 32

Scientific p ro je c t 33

Phiếu đăng ký kết quả nghiên cứu K H-CN 34

MỤC LỤC

4

BẢNG CHÚ GIẢI Từ QUAN TRỌNG YÀ VIÊT TẮT

5

MỤC TIÊU ĐỂ TÀI

Kĩ thuật xử lí tín hiệu thời gian thực là một kĩ thuật thiết yếu trong mảng xử lí tín

hiệu Có hai phương pháp để xử lí tín hiệu: xử lí tín hiệu thời gian thực (real-time

procesing hoặc per-sample processing) và xử lí tín hiệu khối (block processing) Với

xử lí khối tín hiệu thì các mẫu tín hiệu được thu thập vào một mảng lưu trữ trong hệ đo Khi đủ số mẫu cẩn thiết thì hệ thống phần cứng và phần mềm mới tải ra để xử lí Ngược lại, xử lí tín hiệu thời gian thực thì cứ thu thập được mẫu tín hiệu nào, hệ lập tức

xử lí tín hiệu đó

Ưu điểm của xử lí tín hiệu thời gian thực là hệ sẽ có những đáp ứng gần như là tức thời với tín hiệu, như thế rất đảm bảo yêu cầu cho các hệ đo lường và điều khiển Nhưng để xây dựng được các hệ real-time này, đòi hỏi các linh kiện điện tử và các phần mềm tương ứng phải thỏa mãn được yêu cầu nhanh và chính xác

Công việc chính của chúng tôi tập trung vàọ nghiên cứu kĩ thuật lọc real-time, thực hiện trên bo mạch xử lí tín hiệu số chuyên ồụng TMS320C6416T cùa hãng Texas Instrument Tần số hoạt động của bo mạch rất cao hoàn toàn đáp ứng được yêu cầu đề

ra của mục tiêu đề tài Các kĩ thuật lọc đáp tuyến xung hữu hạn (FIR) và lọc đáp tuyến xung vô hạn (IIR) được triển khai đa dạng có độ íin-cậy cao

, f

Cuối cùng, tôi xin trân trọng cảm ơn Đại học Quốc gia Hà nội, Ban Giám hiệu, Phòng Khoa học và Công nghệ, Phòng Kế hoạch tài vụ, Ban chủ nhiệm Khoa Vật lý Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã giúp đỡ và tạo điều kiện về mặt tài chính và các thủ tục khác Irong suốt thời gian tôi làm đề tài

Xin trân trọng cảm ơn

6

PHIẾU ĐẢNG KÝ KẾT QUẢ NGHIÊN c ứ u KH-CN

Tên đề tài (hoặc dự án):

XỬ LÍ TÍN H IỆU TH Ờ I GIAN T H ự C s ử DỤNG T M S320C 6416T DSK

(Real-time signal processes using TM S320C6416T)

Cơ quan chủ trì đề tài (hoặc dự án):

TRUỒNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TựNHEÊN

Địa chỉ: 334 Nguyên Trãi, Thanh Xuân, Hà nội

Cơ quan quản lý đề tài (hoặc dự án):

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

Địa chỉ: 144 đường Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội

Tổng kinh phí thực chi:

Trong đó: - Từ ngân sách Nhà nước

- Kinh phí của trường:

- Vay tín dụng:

- Vốn tự có:

- Thu hổi:

Thời gian bắt đầu:

Thời gian kết thúc:

Tên các cán bộ phối hợp nghiên cứu:

1 ThS Nguyễn Anh Đức Bộ môn Vặt lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, ĐHKHTN

2 Lê Quang Thảo Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, ĐHKHTN

3 Phạm Văn Thành Bộ môn Vật lý Vô tuyến, Khoa Vật lý, ĐHKHTN

c Bảo mật:

Tóm tắt kết quả nghiên cứu:

❖ Tìm hiểu được kĩ thuật xử lí tín hiệu số thời gian thực, cụ thể là các bộ lọc số

20.000.000 đồng20.000.000 đổng

34

CÁC KẾT QUẢ CHÍNH

1 K ĩ THUẬT LỌC SỐ (DIGITAL FILTERS)

Tín hiệu sô' x(n) khác với tín hiệu tương tự x(t) là nó không phải là một đường cong tín hiệu liên tục mà là tín hiệu liên tục bị lượng tử hóa lấy mẫu đều đặn theo các thời điểm tạo thành một mảng số liệu x(n), với n là số thứ tự của mẫu được lấy

Việc xử lí tín hiệu số đặc biệt quan trọng vì hầu hết các hệ thống xử lí đều có nhu cầu gắn kết vói máy tính, mà máy tính như ta đã biết, thông tin và dữ liệu đều là dạng nhị phân Hơn thế nữa, các bo mạch xử lí sô' ngày càng trở nên phổ biến và hiệu quả.Lọc số là một phần quan trọng trong một chuỗi các mạch xử lí tín hiệu số của các

hệ thống radar hiện đại, như bộ lọc tích cực (matched filter), bộ lọc quét trước ịpre-

scan filter), bộ lọc trung tần (IF filter) Các bộ lọc được chia thành một số loại chính

như: lọc thông thấp (low pass filter - LPF), lọc thông cao (high pass filter - HPF), lọc dải thông (band pass filter - BPF), lọc chặn (band stop filte r - BSF) (hình 1) Bộ lọc

được sử dụng với hai mục đích chính: (1) tách ra một sô' tín hiệu hữu ích từ trong một tín hiệu phức tạp, (2) khôi phục lại tín hiệu đã bị méo dạng do một số lí do nào đó

Hình 1.1 Bốn dạng cơ bản của bộ lọc

Có hai cách để biểu diễn thông tin chứa trong tín hiệu: tín hiệu trong miền thời

gian (time domain) và tín hiệu trong miền tần số ựrequency domain).

Miền thời gian: Mỗi mẫu của tín hiệu cho biết cái gì đang xảy ra vào đúng thời điểm lấy mẫu, bàn thân nó đã chứa đựng thông tin, không cần phải dùng thêm các mẫu khác kế cận đê giải thích ý nghĩa của nó Thậm chí, nếu ta có chỉ một mảu duy nhất, ta cũng biết đó là cái gì Đây là phương pháp đơn giản nhất để biểu diễn tín hiệu

Miền tẩn số: Có rất nhiều đại lượng chúng ta do đạc có sự tuần hoàn, có chu kì và

7

tấn số Lúc này, việc phân tích tính chất tần số cùa tín hiệu lại rất quan trọng Lúc này mỗi điểm mẫu túi hiệu trong miền tần sô' không tự nó chứa đựng được các thông tin về

tính tuần hoàn Thông tin về tín hiệu chứa đựng trong mối quan hệ giữa các điểm trong

cả tín hiệu.

Lúc đó, chúng ta có khái niệm về đáp tuyến bước (step response) và đáp tuyến tần

số {frequency response) Đáp tuyến bước miêu tả tín hiệu trong miền thời gian bị biến

đổi thê nào sau khi bị bộ lọc xử lí Tương tự, đáp tuyến tần số cho biết tín hiệu trong miền tần sô' bị biến đổi thế nào khi qua bộ lọc xử lí Sự phân biệt hai đáp tuyến bước và đáp tuyến tần số này cực kì quan trọng trong thiết kế bộ lọc vì không thể làm tối ưu được cả hai Một kết quả tốt trong đáp tuyến bước có thể không tạo ra kết quả tốt trong miền tần số Vì thế, tùy theo yêu cầu ứng dụng cụ thể của bộ lọc, chúng ta sẽ thiết kế sao cho đáp tuyến cần thiết được tốt

Môt sô tính chất của bô loc

Xét các tham sô' bộ lọc trong miền thời gian (time domain parameters):

Các tham số bộ lọc trong miền thời gian cho biết phản ứng của tín hiệu khi qua bộ lọc theo các mẫu đo liên tiếp trong các thời điểm cùa trục thời gian

Thời gian chuyển (Risetime):

Để phân biệt các sự kiện có thể xảy ra trong tín hiệu thì quá trình chuyển biến giữa các mẫu được lọc và mẫu không được lọc phải nên xảy ra trong thời gian càng ngắn càng tốt, đảm bảo khả năng phân giải được các sự kiện có thể xảy ra trong thời gian các mẫu chuyển đó Tất nhiên thời gian chuyển này không thể nhanh tức thời mà càng ngắn càng tốt vì còn bị giới hạn bởi thời gian phản ứng của các linh kiện, và thời gian giữa các lần lấy mẫu cũng không nên quá nhanh để tránh hiệu ứng xuyên kênh (aliasing) (hlnh 1.2a,b)

Vượt ngưỡng (Overshoot):

Sự vượt ngưỡng do bộ lọc cần được loại trừ vì bộ lọc nếu xảy ra hiện tượng đó sẽ có thể làm méo dạng tín hiệu tại mẫu bị vượt ngưỡng Và nếu bộ lọc bị tình trạng này, sẽ không thể phân biệt điểm vượt ngưỡng đó là do bộ lọc gây ra hay do một điểm mẫu dị thường của một sự kiện nào đó trong tín hiệu có (hình 1.2c,d)

Tuyến tính pha (phase linearity):

Sự tuyến tính pha được xem như sự đối xứng giữa phần trên của đáp tuyến bước với phần dưới của đáp tuyến bước, đảm bảo việc chuyển bước là bình đẳng cho các mẫu gần sát phía bên trái với các mẫu gần sát phía bên phải (hình 1.2e,f)

Xét các tham số bộ lọc trong miền tần số (frequency domain parameters):

Đáp tuyến trong miền tần số cho chúng ta hình ảnh rõ nét phản ứng cùa bộ lọc là cho phép qua một số dải tần số và cấm những dải tần số còn lại Vì thế, ở đây có 3 tham số cần chú ý, thể hiện trong hình 1.3

Roll-off:

8

Đe phán lath CiÍL tân s o chi) qiki va kliõnư ch.) ụiid mội cách '-hình xác, cần có tính /hút fast roll-off.

I'ass-band ripple:

Đe cho mọi thành phân tan só trong lĩiièn dái truyèn qua (pass-hand) được nhãn với

một hê sò như nhau, yêu càu càn khử sự gợii sỏne (ripple) ớ iniển dải thông.

■ -

2 I<M I IU \ \ IIR

Ltk-ll II i n liep ;le liuíi i ì:I i - ■ i ■ i h,i!: I ■ »/ t tín hiệu lối vàoVỚI J a p tu v e n M in e CII.I h o l< •* M u ! h ic i: ,|U I h •! '.•••• ! : i !«• Irt I ursion). Đáp IUU-M \uiii2 u u N 'l i '’ l!c ụi-\ h <r ".I !!:i:•] ư!;•"!: ‘-1 1 ■ -uy aiám theo quy

!ual hau r ! ’10 V > H lỉh C ' ! I Ị ! ,|1Ì\ In: ỉ li' J chiều dài vô

li Ill !i! i O ' ì'" ! ' í.lì' -"I - o : .i ' ■ ■ ' ' I" f " ì ' Response

-ỈIR) Còn bộ lọc thực hiện bằng nhân chập gọi là bộ lọc đáp tuyến xung hữu hạn (Finite Im pulse Response - FIR) [1, 3, 4],

Trong hầu hết các ứng dụng, hoạt động của bộ lọc số dựa trên mối quan hệ giữa

chuỗi tín hiệu lối vào x(n) và chuỗi tín hiệu lối ra ỵ(n) như sau [2]:

Trong đó, Sịn-m ) là kết quả của hàm ỏ(n) bị trễ đi một khoảng bằng m Các tín

hiệu mà chúng ta quan tâm là tuyến tính và bất biến theo thời gian, nên tính chồng

chập (superposition) và dịch bất biến (shift-invariance) được sử dụng Vì thế, nếu lối

vào là một xung đơn vị ổ(n), lối ra là đáp tuyến xung h(n) thì với lối vào là x(m)S(n-m)

sẽ có lối ra là x(m)h(n-m ) Biểu thức (2) sẽ trở thành:

y ( n ) = Ỵ^x(m)h(n - m)

Đặt k = n-m ta sẽ được>(«) = ^ h ( k ) x ( n - k ) Biểu thức nhân chập này là cơ sớ

*=0cho bộ lọc FIR khi ta cho một số hữu hạn các phần tử cùa tín hiệu lối vào:

Hình 2.1 Bộ lọc tần thấp sử dụng kĩ thuật lọc FIR

Số các mắt lọc và các hệ số được xác định theo yêu cầu của bộ lọc Thiết k ế bộ lọc chính là tìm xem cần bao nhiêu mắt lọc và đáp tuyến h(n) cùa nó là gì

Đăc điểm của FIR

- Bộ lọc FtR có pha tuyến tính (linear phase) Một tín hiệu khi đi qua bộ lọc bị trễ

một khoảng thời gian nhất định, vì thế mối quan hệ giữa thành phần tần sô' cao và thành phần tần số thấp khi đi qua bộ lọc giữ không thay đổi

- Bộ lọc FIR có độ ổn định cao (inherently stable) Các bộ lọc tương tự và ngay cả

bộ lọc UR có hiện tượng lắc trong đáp tuyến tần sô Điéu này tạo ra sự khác biệt

và được sử dụng phổ biên cùa FIR.

Bộ lọc IIR [2,3]

Bộ lọc FIR có thể giảm bứt nhưng không loại trừ hoàn toan dược nhiễu tạp Chúng

ta có thể cải thiện được tỉ số tín hiệu/tạp khi chọn các hệ sỏ bộ lọc thích hợp hơn và tăng nhiều hơn các mắt lọc Nhưng giải pháp này sẽ làm tâng khối lưu trữ dữ liệu và

khối lượng tính toán Giải pháp của chúng ta ờ đây là bộ lọc IIR Bằng cách đưa tín

hiệu lối ra phản hổi trờ về đầu vào bộ lọc, chúng ta thu được một kết quả rất khả quan

Đãc điểm của IIR

- Khả năng lọc tốt hơn FIR do có đáp tuyên sác nét hơn.

- Mỗi bộ lọc IỈR có một đạc tuyến pha riêng nẽn thường không tuyến tính về pha

với các thành phần tần số

- Bộ lọc HR do có vòng lặp phản hồi nên xáy ra hiên tượng lắc trong đáp tuyến tần

số

3 THIẾT KẾ B ộ LỌC TRÊN I M S320C6416T DSK [2]

Ho vi xử lí TM S320C6000 chuyên được thiết kế cho các ứng dụng xử lí tín hiệu

số Trong các ứng dụne này, các mầu tín hiệu được lây vào xử lí theo một dòng liên

12

tục, theo thuật ngữ kĩ thuật gọi là tín hiệu thời gian thưc (real-time) Do đó, điéu quan

trọng là lối ra phải được xử lí một cách càng nhanh càng tốt Kỹ thuật tương ứng gọi là

xử lí tín hiệu thời gian thực (real-time processing) Hoạt động thực tế của các bộ lọc

trong báo cáo này dựa vào tổ chức bộ nhớ cùa TMS320C6416T DSK để thực hiện phép

Mấu chốt của các ứng dụng thời gian thực là mỗi khi một mẫu tín hiệu mới đến,

nó sẽ được cộng vào mảng mẫu dữ liêu, tương ứng mẫu cũ nhất sẽ bị đẩy đi Thuật toán

được ủng hộ rất nhiều do cấu trúc địa chi vòng cùa họ C6000 (circular addressing

hardware).

13

4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

4.1 Đáp tuyến tần sô của các bộ lọc L P F , H P F , B P F, B S F sử dụng bộ lọc FIR

Chương trình nguồn viết trên ngôn ngữ cFIR.C thực hiện bộ lọc FIR theo biểu

thức (3) Đồng thời chúng ta thiết kê các bộ lọc này trên máy tính sử dụng công cụ SPtool của M atlab để nội suy ra các tập hệ số Các tập hệ số này có thể dễ dàng thay đổi trong khai báo của chương trình nguồn để có được các bộ lọc khác nhau Đối với

bộ lọc FIR pha tuyến tính, các hệ số có tính đối xứng

Ví dụ, chúng ta có thể quan sát thấy trong tập hệ số bpHOO.cof tạo ra bởi SPtool.

Bàns 3 Tập hệ sô của bộ lọc dâi thông rdn sô trung rám 2100Hz bp2100.cof

#defme N 89

short h[N] = {-81, -17, 53, 2 ,0 , -3, -73, 27, 156, -81, -233, 162, 287, -257, -303, 345, 275, -399, -207, 393, 117,-304, -36, 124,0, 142,-48,-468, 208, 811,-496,-1120, 904, 1341,-

Hình 4.1- Lôi vào / ra cùa bộ lọc FIR, quan sát trên dao động kí Yokogawa DL1720E

(a) 2100Hz, (b) 1900Hz, (c) 2300Hz

Theo lí thuyết, các xung vuông là tổ hợp từ tần số cơ bàn và các thành phần họa

ba bậc lẻ Biên độ của sóng sin trong hình 4.1 b 4.1c nhỏ hơn biên độ cùa sóng sin tron° hình 4 la Lí do là tần số cơ bán trong 4.1 b, 4 lc là 1900Hz, 2300Hz không rơi

14

vào tần sô trung tam cua ho lọc như trong hinh 4.! a.

Đê thu được đặc tuyên tần sỏ cùa các bỏ lọc, chúng ta viết một chương trình

noise_gen.e để phát ra một tạp trăng giá ngầu nhiên Tạp này được đua vào thành tín hiệu lối vào cho các bộ loc Đau ra cac bộ lọc sẽ phàn ánh ứng xử cùa bộ lọc với phổ tần số liên tuc cùa tạp vừa tạo Đáp tuvèn Ihu dươc chính là đáp tuyến tần số cùa các bộ lọc (hình 4.2)

- M*

7 ; T : '4 • ] * " (*) Band stop at center frequency 10KHzy

-BW = 2kHz Ỉ IS p S /;

-Hình 4.2- í);ip tuvon tìm so cùa các bộ lọc FIR

(a) IplOkH/, Ibi hpXkH/ 'C' hpl2kH z, (d) bslOkHz

Hình 4.2 chí ra rằng chúng ta có thể dễ dàng thay đổi tần sô' cắt, tần số trung tâm, dải thông của các bộ lọc với sự giúp đỡ của SPtool để thay đổi các tập hộ số.

Cũng vẫn với chương trinh nguồn FIR.C này, chúng ta có thể dùng SPtool để thiết

kế các bộ lọc đa băng (multi-band filter) cho các ứng dụng đặc biệt (hình 4.3).

Hmh 4.3- Đặc tuyến tần sô của bộ lọc đa băng, la! Lọc thong 2 bâng, (b) Lọc thông 3 băng 4.2 Đ áp tu v èn tail so cua các bò lọc H R

Bộ lọc FIR được thực 1110 1 1 khi thu thập chỉ một vài mẫu tín hiệu lối vào và trungbình lại để thành m ẫ u tín hiệu lỏi ra mới Thực chất của FIR là lấy trung bình Tương phản, bộ lọc IIR tniúMi Ún hteu lối ra hồi tiếp cộng vào lối vào Kết quả của một số bộ

lọc IIR được m ỏ Lì Iren hình 4.4

16