Bài giảng xử lý tín hiệu số

[r]

Ch ươ ng 1

T NG QUAN V X LÝ S TÍN HI U Ổ Ề Ử Ố Ệ

M c đích: ụ

• Phân bi t gi a x lý t ệ ữ ử ươ ng t và x lý s tín hi u ự ử ố ệ

• Bi t đ ế ươ c các thành ph n c b n trong h th ng x lý s tín hi u ầ ơ ả ệ ố ử ố ệ

• Phân bi t đ ệ ượ c các ho t đ ng khác nhau trong x lý s tín hi u ạ ộ ử ố ệ

• Các u và nh ư ượ c đi m c a h th ng x lý s tín hi u so v i h th ng x lý t ể ủ ệ ố ử ố ệ ớ ệ ố ử ươ ng t ự

• Các ng d ng c a x lý s tín hi u ứ ụ ủ ử ố ệ

1.1X LÝ T Ử ƯƠ NG T VÀ X LÝ S TÍN HI U Ự Ử Ố Ệ

X lý tín hi u ử ệ : là quá trình dùng các m ch đi n,m ch đi n t ,máy tính…tác đ ng lênạ ệ ạ ệ ử ộ tín hi u đ t o ra tín hi u theo mong mu n.ệ ể ạ ệ ố

Có hai cách x lý tín hi u:ử ệ

 X lý t ử ươ ng t (ASP: Analog Signal Processing): ự

M t h th ng x lý tộ ệ ố ử ương t đự ược mô t theo ả Hình v 1.1 ẽ :tín hi u vào cho hệ ệ

th ng x lý là tín hi u tố ử ệ ương t ,b x lý tín hi u tự ộ ử ệ ương t sau khi x lý đ t o ra tínự ử ể ạ

hi u theo nh yêu c u s xu t ra tín hi u ngõ ra cũng là tín hi u tệ ư ầ ẽ ấ ệ ở ệ ương t ự

M t ví d đ n gi n cho h th ng x lý tộ ụ ơ ả ệ ố ử ương t là Âm-li,đây là b khu ch đ i tínự ộ ế ạ

hi u,tín hi u âm thanh t Mi-crô đi vào là tín hi u tệ ệ ừ ệ ương t ,b Âm-li s l c b nh ngự ộ ẽ ọ ỏ ữ thành ph n tín hi u d th a sau đó khu ch đ i tín hi u lên m c c n thi t và xu t tínầ ệ ư ừ ế ạ ệ ứ ầ ế ấ

hi u ra loa(tín hi u tệ ệ ương t ).ự

 X lý s (DSP:Digital Signal Processing): ử ố

M tộ

hệ

th ngố

x lýử

mô t theo ả Hình v 1.2 ẽ :tín hi u vào đ x lý trệ ể ử ước khi đ a vào b x lý tín hi u s sư ộ ử ệ ố ẽ

Hình v 1.1 ẽ

Hình v 1.2 ẽ

được đ a qua kh i chuy n đ i tư ố ể ổ ương t - s (Kh i bi n đ i tín hi u tự ố ố ế ổ ệ ương t sang tínự

hi u s ).Tín hi u sau khi đệ ố ệ ược x lý b i b x lý tín hi u s s đử ở ộ ử ệ ố ẽ ược đ a qua kh iư ố chuy n đ i s - tể ổ ố ương t (Kh i bi n đ i tín hi u s sang tín hi u tự ố ế ổ ệ ố ệ ương t ) đ có đự ể ượ c tín hi u theo nhu c u(là tín hi u tệ ầ ệ ương t ).ự

M t ví d đ n gi n cho h th ng x lý s là thành ph n x lý âm thanh trong máyộ ụ ơ ả ệ ố ử ố ầ ử

tín hi u tệ ương t ,trên ự Sound card có các vi m ch chuy n đ i tín hi u tạ ể ổ ệ ương t sang tínự

Card có thành ph n x lý chính là vi m ch x lý tín hi u s (DSP),thành ph n này ti pầ ử ạ ử ệ ố ầ ế

nh n tín hi u s t b chuy n đ i tín hi u tậ ệ ố ừ ộ ể ổ ệ ương t sang tín hi u s ,x lý tín hi u sự ệ ố ử ệ ố này theo yêu c u sau đó xu t tín hi u ra(tín hi u s ) cho b chuy n đ i tín hi u s sangầ ấ ệ ệ ố ộ ể ổ ệ ố tín hi u tệ ương t ự

1.2CÁC THÀNH PH N C B N C A H T NG X LÝ S TÍN HI U Ầ Ơ Ả Ủ Ệ Ố Ử Ố Ệ

S đ kh i t ng quát m t h th ng x lý s tín hi u ơ ồ ố ổ ộ ệ ố ứ ố ệ nh Hình v 1.4: ư ẽ

Pass Filter),dùng đ gi i h n ph tín hi u trể ớ ạ ổ ệ ước khi đ a vào b bi n đ i A/D(chuy nư ộ ế ổ ể

ti n l c là l c b nh ng thành ph n tín hi u dề ọ ọ ỏ ữ ầ ệ ư

th a(tín hi u không mong mu n),nh m tránh hi nừ ệ ố ằ ệ

tín hi u tệ ương t sang tín hi u s ự ệ ố

Ví d trong quá trình x lý tho i(khác v i quá trình x lý Audio),t n s l y m u choụ ử ạ ớ ử ầ ố ấ ẫ quá trình s hóa tín hi u tho i là 8Khz,do đó trố ệ ạ ước khi s hóa tín hi u tho i đố ệ ạ ược đ aư

t t c các thành ph n có t n s l n h n 4Khz(trong truy n thông tho i ta ch c n thànhấ ả ầ ầ ố ớ ơ ề ạ ỉ ầ

ph n t n s t 0Khz đ n 4Khz là nghe và hi u,khác v i x lý Audio ta ph i gi nguyênầ ầ ố ừ ề ể ớ ử ả ữ

Hình v 1.3 ẽ

 B h u l c(ộ ậ ọ Post Filter hay Reconstruction Filter):cũng là b l c thôngộ ọ

th p,nh ng công d ng c a b h u l c là l c b các thành ph n ph nh(Do quá trìnhấ ư ụ ủ ộ ậ ọ ọ ỏ ầ ổ ả

l y m u t o ra:khi bi u di n trong mi n t n s ,ph c a tín hi u sau quá trình l y m uấ ẫ ạ ể ễ ề ầ ố ổ ủ ệ ấ ẫ chính là ph c a tín hi u trổ ủ ệ ước khi l y m u đấ ẫ ượ ặc l p tu n hoàn v i chu kì l p b ng v iầ ớ ặ ằ ớ chu kì l y m u).ấ ẫ

s ,g m có ba bố ồ ước x lý là l y m u,lử ấ ẫ ượng t và mã hóa.ử

tương t ự

S dĩ trong h th ng x lý tín hi u s có hai kh i ADC và DAC là vì các ngu n tín hi uở ệ ố ử ệ ố ố ồ ệ ngu n g c ban đ u đ u là tín hi u tồ ố ầ ề ệ ương t ự

đượ ạc t o ra m t tín hi u tộ ệ ương ng và tín hi u này là tín hi u tứ ệ ệ ương t ự

Nhân c a h th ng x lý tín hi u s là kh i DSP,kh i này ti p nh n tín hi u s tủ ệ ố ử ệ ố ố ố ế ậ ệ ố ừ

kh i ADC(kh i chuy n đ i tín hi u tố ố ể ổ ệ ương t sang tín hi u s ) x lý theo yêu c u vàự ệ ố ử ầ

xu t ra tín hi u s đ n kh i DAC đ khôi ph c l i tín hi u tấ ệ ố ế ố ể ụ ạ ệ ương t theo mong mu n.ự ố

1.3PHÂN LO I CÁC HO T Đ NG X LÝ S TÍN HI U Ạ Ạ Ộ Ử Ố Ệ

1.3.1Phân tích tín hi u: ệ

lường,quan sát các tính ch t c a tín hi u.ấ ủ ệ

b c m bi n đ m,đ m độ ả ế ộ ẩ ộ ẩ ươ ảc c m bi n thành m t tín hi u đi n tế ộ ệ ệ ương ng,b x lýứ ộ ử tín hi u s phân tích tín hi u đi n tệ ẽ ệ ệ ương ng này và hi n th ra màn hình s đo đ mứ ể ị ố ộ ẩ

tương ng.Ho c trong ho t đ ng d báo th i ti t,trung tâm x lý d li u liên t c c pứ ặ ạ ộ ự ờ ế ử ữ ệ ụ ậ

nh t các hình nh g i v t v tinh,trung tâm này s phân tích các tín hi u hình nh nàyậ ả ở ề ừ ệ ẽ ệ ả

và d a vào k t qu phân tích này các trung tâm s đ a ra các d báo v th i ti t,bão…ự ế ả ẽ ư ư ề ờ ế Ngoài ra vi c phân tích tín hi u giúp chúng ta ti p c n v i vi c x lý tín hi u trongệ ệ ế ậ ớ ệ ử ệ

mi n t n s ,t đó đ a ra các hề ầ ố ừ ư ướng x lý tín hi u m t cách hi u qu nh t.ử ệ ộ ệ ả ấ

Ngày nay vi c phân tích tín hi u là công c h tr r t l n cho nhi u lĩnh v c k thu tệ ệ ụ ổ ợ ấ ớ ề ự ỹ ậ

v n t i,đo lậ ả ường…

M t ví d đ n gi n cho vi c phân tích tín hi u trong hình v 1.5:ộ ụ ơ ả ệ ệ ẽ

Trong hình v A là bi u di n m t tín hi u đi u hòa(Cosine) có t n s 1000Hz trongẽ ể ễ ộ ệ ề ầ ố

mi n th i gian,hình v B là bi u di n tín hi u đi u hòa 1000Hz trong mi n t n s quaề ờ ẽ ể ễ ệ ề ề ầ ố

vi c phân tích ph (ệ ổ Phân tích Fourier),hình v C là bi u di n m t tín hi u g m hai thànhẽ ể ễ ộ ệ ồ

1.3.2L c tín hi u ọ ệ

L c là m t ho t đ ng x lý tín hi u nh m lo i b nh ng thành ph n tín hi u khôngọ ộ ạ ộ ử ệ ằ ạ ỏ ữ ầ ệ

được phát sinh trong quá trình x lý tín hi u.Ho t đ ng x lý tín hi u đ lo i b nh ngử ệ ạ ộ ử ệ ể ạ ỏ ữ

M t ví d đ n gi n là trong x lý tho i,tín hi u âm thanh do ngộ ụ ơ ả ử ạ ệ ười phát ra có t n sầ ố

t vài Hz đ n vài ch c Khz.Nh ng trong x lý tho i ch c n các tín hi u âm thanh t vàiừ ế ụ ư ử ạ ỉ ầ ệ ừ

đó các thành ph n tín hi u âm thanh có t n s l n h n vài Khz là các thành ph n tín hi uầ ệ ầ ố ớ ơ ầ ệ không mong mu n(D th a),trong x lý tho i các thành ph n này s b lo i b tông quaố ư ừ ử ạ ầ ẽ ị ạ ỏ các x lý l c(LPF:L c thông th p).ử ọ ọ ấ

hi u c n thu l n tín hi u nhi u,đ lo i b thành ph n nhi u,ta cho tín hi u (có l nệ ầ ẫ ệ ễ ể ạ ỏ ầ ễ ệ ẫ

gi nguyên),thành ph n tín hi u nhi u s b ngăn l i(Biên đ tín hi u nhi u b gi m đi-ữ ầ ệ ễ ẽ ị ạ ộ ệ ễ ị ả suy hao),k t qu t i ngõ ra m ch l c ta ch thu đế ả ạ ạ ọ ỉ ược thành ph n tín hi u mongầ ệ

Hình v 1.5 ẽ

1.4 U ĐI M C A H TH NG X LÝ S Ư Ể Ủ Ệ Ố Ử Ố

Ngày nay x lý s tín hi u đã tr thành m t công ngh tiên ti n,h tr cho khoa ử ố ệ ở ộ ệ ế ổ ợ

h c và k thu t c a th k 21,th k c a công ngh thông tin s X lý s tín hi u ọ ỹ ậ ủ ế ỹ ế ỹ ủ ệ ố ử ố ệ

đã và đang làm thay đ i có tính ch t cách m ng trong nhi u lĩnh v c nh :vi n ổ ấ ạ ề ự ư ễ thông,y sinh h c,thiên văn h c,công ngh thăm dò và khai thác khoáng s n,khoa h c ọ ọ ệ ả ọ hình s … ự

T i sao DSP(Digital Signal Processing) l i đ ạ ạ ượ c áp d ng r ng rãi và sâu r ng ụ ộ ộ trong nhi u lĩnh v c k thu t,công ngh ?B i vì x lý s tín hi u có nhi u u đi m ề ự ỹ ậ ệ ở ử ố ệ ề ư ể

h n so v i x lý t ơ ớ ử ươ ng t DSP là toán h c,là thu t toán,là các k thu t đ ự ọ ậ ỹ ậ ượ c s ử

d ng đ bi n đ i tín hi u,phân tích tín hi u,x lý tín hi u…Vai trò DSP trong th ụ ể ế ổ ệ ệ ử ệ ế

k 21 gi ng nh cu c cách m ng v đi n t nh ng năm 80 c a th k tr ỷ ố ư ộ ạ ề ệ ử ở ữ ủ ế ỷ ướ c Công ngh ph n c ng và công ngh ph n m m DSP đã phát tri n v ệ ầ ứ ệ ầ ề ể ượ ậ t b c,nó th a ỏ mãn nhu các nhu c u x lý tín hi u đa d ng và ph c t p DSP là m t công ngh và ầ ử ệ ạ ứ ạ ộ ệ

là c u n i nhi u lĩnh v c công ngh l i v i nhau nh công ngh gi i trí,thông tin ầ ố ề ự ệ ạ ớ ư ệ ả liên l c,khai thác thám hi m không gian,y h c,kh o c h c… ạ ể ọ ả ổ ọ

Các u đi m c a ph ư ể ủ ươ ng pháp x lý s tín hi u so v i ph ử ố ệ ớ ươ ng pháp x lý ử

t ươ ng t : ự

 Đáp ng đ ứ ượ c các yêu c u x lý ph c t p,linh ho t,m m d o ầ ử ứ ạ ạ ề ẻ

 Kh năng x lý n đ nh ả ử ổ ị

 Có th phát tri n dùng các ph n m m ch y trên PC ể ể ầ ề ạ

 D dàng hi u ch nh trong th i gian th c ễ ệ ỉ ờ ự

 Tín hi u s thu n l i trong vi c l u tr ,truy n thông ệ ố ậ ợ ệ ư ữ ề

Hình v 1.6 ẽ

Gi i: ả

Tìm các zck, h có zệ c1=1/2 + j1/2, zc1=1/2- j1/2

Đây là 2 đi m c c n m trong vòng tròn đ n v v y h th ng nhân qu đã cho là n đ nh.ể ự ằ ơ ị ậ ệ ố ả ổ ị

Ví d 20: ụ

Tìmđáp ng xung nhân qu c a h th ng và xét tính nhân qu tứ ả ủ ệ ố ả ương ng c a h th ngứ ủ ệ ố

Gi i: ả

H(z) có hai c c t i z = 1/2 và z = 3 Do đó, đ th a đi u ki n nhân qu thì ự ạ ể ỏ ề ệ ả ROC: |z|>3 Đáp ng xung c a h th ng:ứ ủ ệ ố

1

3 4 ( )

1 3.5 1.5

z

H z

−

−

=

1

( )

1 3.5 1.5 1 0.5 1 3

z

H z

−

−

1

2

n

n

h n = � � � � u n + u n

� �

TÀI LI U THAM KH O Ệ Ả

[1]