Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o
Bé quèc phßng
Häc viÖn kü thuËt qu©n sù
-------------------------------
TrÇn thanh s¬n
ThiÕt kÕ bé läc tÝn hiÖu sè
trªn c«ng nghÖ fpga víi c«ng cô
matlab vμ eda cña xilinx
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt
Hµ Néi - N¨m 2008
Bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o
Bé quèc phßng
Häc viÖn kü thuËt qu©n sù
-------------------------------
TrÇn thanh s¬n
ThiÕt kÕ bé läc tÝn hiÖu sè
trªn c«ng nghÖ fpga víi c«ng cô
matlab vμ eda cña xilinx
Chuyªn ngµnh: Tù §éng Ho¸
M· sè: 60 52 60
LuËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt
Ng−êi h−íng dÉn khoa häc:
TiÕn sÜ ®ç ®×nh nghÜa
Hµ Néi – N¨m 2008
bé gi¸o dôc vμ ®μo t¹o
bé quèc phßng
häc viÖn kü thuËt qu©n sù
-------------------------------
luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt
Tªn ®Ò tµi:
ThiÕt kÕ bé läc tÝn hiÖu sè
trªn c«ng nghÖ fpga víi c«ng cô
matlab vμ eda cña xilinx
Chuyªn ngµnh :
Tù §éng Ho¸
M· sè:
60 52 06
Ngµy giao ®Ò tµi luËn v¨n : 29-01-2008.
Ngµy hoµn thµnh luËn v¨n : 15-05-2008.
Ng−êi thùc hiÖn:
Hä vµ tªn: TrÇn Thanh S¬n
Líp: Tù ®éng hãa
HÖ ®µo t¹o: TËp trung
C¸n bé h−íng dÉn:
Hä vµ tªn: §ç §×nh NghÜa
Häc hµm, häc vÞ: TiÕn sÜ
Kho¸: 18
CÊp bËc: §¹i t¸
§¬n vÞ c«ng t¸c: Häc viÖn KTQS
Hµ Néi - N¨m 2008
MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ........………………………………………………………………….... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU VÀ CHỌN LỌC TÍN HIỆU …....... 4
1.1 Tín hiệu tương tự (Analog) và tín hiệu số (Digital) ...…………………... 4
1.1.1.Khái niệm, phân loại tín hiệu và hệ xử lý tín hiệu ………….…............ 4
1.1.2 Hệ xử lý số ...... .............…………………………………………… .. 12
1.2 Các bộ biến đổi tín hiệu tín hiệu tương tự-số (ADC)
và bộ biến đổi số-tương tự (DAC)…………………………………….. .. 19
1.2.1 Bộ biến đổi DAC :.………………………………… … …………… . 19
1.2.2 Bộ biến đổi ADC : ………………………………… ……………. . 22
1.3 Bộ lọc số và cơ sở toán học của nó…………………………………….... 24
1.3.1: Tổng quan về bộ lọc số: …...………………… ………………. ..... 25
1.3.2: Công cụ toán học để thiết kế bộ lọc số…………..……………….. ..... 28
Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ CẤU TRÚC FPGA CỦA HÃNG XILINX
VÀ PHẦN MỀM HỖ TRỢ THIẾT KẾ WEBPACK ISE…........ 32
2.1 Tổng quan về cấu trỳc FPGA của XILINX…………………………. .... 32
2.1.1. Sự hình thành và phát triển của FPGA và CPLD.…………….. ........ 32
2.1.2. Giới thiệu các họ thiết bị của Xilinx……………………… …………. 38
2.1.3. Cấu trúc FPGA của hãng Xilinx …………………………………….. 44
2.2 Phần mềm thiết kế WEBPACK ISE…………………………… ............ 52
2.2.1. Giới thiệu sơ lược:………………………… ………… ……… …... 52
2.2.2. Cụng cụ thiết kế:………………………………… …… ……………. 52
2.2.3. Lõi sở hữu trí tuệ của Xilinx ( IP_Core ):………………………….. ... 55
2.2.4. Giới thiệu ngôn ngữ VHDL………………………………..………...... 55
Chương 3 : HỖ TRỢ THIẾT KẾ CỦA MATLAB VÀ EDA
VỚI BỘ LỌC SỐ……………………………………………… ...... 63
3.1 Phương pháp thiết kế theo mô hình:..………………………………… ... 63
3.1.1.Giới thiệu:…..………………………………………………………..... 63
3.1.2.Kết luận….…………………………………………………………...... 68
3.2 Sự hỗ trợ của Matlab với thiết kế bộ lọc số (FDATool)……… …… ...... 68
3.2.1. Tổng quan về hộp công cụ thiết kế bộ lọc số (FDATool)… …… ...... 68
3.2.2. Thiết kế bộ lọc theo phương pháp sử dụng các hàm chức năng: .. ....... 73
3.2.3. Thiết kế bộ lọc theo phương pháp sử dụng giao diện của
FDATool.............................................................................................:. 77
3.2.4. Phân tích một số cấu trúc của các hàm thông dụng
trong thiết kế bộ lọc: ………….....…………………… ……………... 83
3.3 Sự hỗ trợ thiết kế của EDA (phần mềm ISE): ………… ……… ….... . 85
Chương 4 : THIẾT KẾ BỘ LỌC TÍN HIỆU SỐ DẠNG FIR .…………........ 87
4.1 Kết cấu cho các kiểu lọc tần số dạng FIR:…………………………….... 87
4.1.1. Bộ lọc thông thấp lý tưởng…………………… ……………….. ....... 88
4.1.2. Bộ lọc thông cao lý tưởng……… .....……………………………..... 90
4.1.3. Bộ lọc dải thông lý tưởng…… ……………………… ……….. ......... 91
4.1.4. Bộ lọc dải chặn lý tưởng……………… ……………… ………......... 93
4.1.5 .Nhận xét……… ……………………………………… ………. ....... 95
4.2 Cấu hình tổng quát của bộ lọc FIR………………………………… ....... 92
4.3 Tổng hợp hệ thống theo phương pháp mô hình hoá đối tượng……. ..... 95
4.3.1. Giả thiết kỹ thuật………………………………………… …… ........ 95
4.3.2. Thiết kế bộ lọc số đáp ứng xung hữu hạn
theo phương pháp MBD........................................................................ 95
4.3.3.Hiện thực hoá và mã để hiện thực hoá ……………………………. ....105
4.3.4. Thử nghiệm và kiểm tra ................................................………..….....112
ĐÁNH GIÁ VÀ KẾT LUẬN…...…………………………………………....….114
1. Khả năng thực hiện và hướng phát triển của đề tài………………...….…….114
2. Khả năng áp dụng vào thực tiễn …………………………………….……....114
TÀI LI ỆU THAM KH ẢO………………………………………………… . …116
PHỤ LỤC
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác./.
Tác giả luận văn
Trần Thanh Sơn
B¶ng c¸c ch÷ viÕt t¾t vμ ký hiÖu
Tõ viÕt t¾t
NghÜa tiÕng Anh
NghÜa tiÕng ViÖt
Advanced Boolean Expression
Ng«n ng÷ diÔn t¶ ®¹i sè Bool
Language
cao cÊp.
ADC
Analog-to-Digital Converter
Bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù sè.
AIM
Advanced Interconnect Matrix
Ma trËn liªn kÕt cao cÊp .
ANSI
American National Standards
ViÖn tiªu chuÈn quèc gia Hoa
Institute.
kú.
ASIC
Application Specific IC
IC øng dông chuyªn biÖt.
ASSP
Application Specific Standard
S¶n phÈm tiªu chuÈn øng
Product
dông chuyªn biÖt.
ATE
Automatic Test Equipment
ThiÕt bÞ kiÓm tra tù ®éng.
CAD
Computer Aided Design
C«ng cô thiÕt kÕ ®−îc trî gióp
ABEL
bëi m¸y tÝnh.
CAN
Controller Area Network
Bé ®iÒu khiÓn m¹ng khu vùc.
CBT
Computer Based Training
HuÊn luyÖn dùa trªn m¸y tÝnh.
CDMA
Code Division Multiple Access
Sù ph©n chia m· ®a truy cËp.
CE
Clock Enable
TÝn hiÖu cho phÐp Clock.
CLB
Configurable Logic Block
Khèi Logic cho phÐp ®Þnh cÊu
h×nh.
CLK
Clock Signal
TÝn hiÖu ®ång hå .
CICC
Custom Integrated Circuits
Héi th¶o vÒ m¹ch tÝch hîp tuú
Conference
biÕn.
CMOS
Complementary MOS
C«ng nghÖ MOS c¶i tiÕn.
CPLD
Complex Programmabe Logic
ThiÕt bÞ logic cho phÐp lËp
Device
tr×nh phøc t¹p.
Chip Scale Packaging
§ãng gãi theo kÝch th−íc
CSP
máng.
DCI
Digitally Controlled Impedance
Trë kh¸ng ®iÒu khiÓn ®−îc sè.
DRAM
Dynamic Random-Access Memory
Bé nhí ®éng truy xuÊt ngÉu
nhiªn, cßn gäi lµ RAM ®éng
DCM
Digital Clock Manager
Bé qu¶n lý ®ång hå sè.
DCM
Digital Control Managerment
Gi¸m s¸t ®iÒu khiÓn sè.
DES
Data Encryption Standard
ChuÈn m· ho¸ d÷ liÖu.
DRC
Design Rule Checker
Bé kiÓm tra quy t¾c thiÕt kÕ
DSL
Digital Subsciber Line
§−êng thuª bao sè.
DSP
Digital Signal Processor
Bé xö lý tÝn hiÖu sè.
DTV
Digital Television
TruyÒn h×nh sè.
ECS
Schematic Editor
Bé so¹n th¶o s¬ ®å nguyªn lý .
EDA
Electronic Design Automation
HÖ tù ®éng thiÕt kÕ ®iÖn tö
EDIF
Electronic Digital Interchange
§Þnh d¹ng trao ®æi ®iÖn tö sè.
Format.
Electrically Erasable Programmable
Bé nhí chØ ®äc lËp tr×nh vµ
Read-Only-Memory.
xo¸ ®−îc b»ng ®iÖn
EMI
Electromagnetic Interference.
NhiÔu ®iÖn tõ tr−êng.
eSP
emerging Standards and Protocols
Sù n¶y sinh c¸c tiªu chuÈn vµ
EEPROM
giao thøc.
EPROM
FPGA
Erasable Programmable Read-Only- Bé nhí chØ ®äc lËp tr×nh vµ
Memory
xo¸ ®−îc.
Field-Programmable Gate Array
Ma trËn cæng lËp tr×nh ®−îc
theo hµng.
FAT
File Allocation Table
B¶ng cÊp ph¸t File.
FIFO
First In First Out
Vµo tr−íc ra tr−íc.
FIR
Finite Impulse Respone (Filter)
§¸p øng xung h÷u h¹n.
FIT
Failures in Time
Lçi thêi gian.
FSM
Finite State Machine
M¸y tr¹ng th¸i h÷u h¹n.
fMAX
Frequency Maximum
TÇn sè cùc ®¹i
GPS
Global Positioning System
HÖ thèng ®Þnh vÞ toµn cÇu.
GTL
Gunning Transceiver Logic
Bé dß t×m logic thu ph¸t
GTLP
Gunning Tranceiver Logic Plus
Bé dß t×m logic thu ph¸t c¶i
tiÕn.
GUI
Graphical User Interface
Giao tiÕp ®å ho¹ ng−êi dïng.
HSTL
High Speed Tranceiver Logic
Logic thu ph¸t tèc ®é cao.
HDL
Hardware Description Language
Ng«n ng÷ m« t¶ phÇn cøng
I/O
Input and Output
Vµo ra
IBIS
I/O Buffer Information
Th«ng tin chi tiÕt bé ®Öm vµo
Specification
ra.
Institute of Electrical and Electronic
HiÖp héi c¸c Kü s− §iÖn vµ
Engineers
§iÖn tö
Intergrated Logic Analyzer
Bé ph©n tÝch logic ®−îc tÝch
IEEE
ILA
hîp.
IOB
Input Output Block
Khèi vµo ra
IP
Intellectual Property
Së h÷u trÝ tuÖ.
IRLTM
Internet Reconfigurable Logic
§¬n vÞ logic cho phÐp ®Þnh
cÊu
h×nh
l¹i
trªn
m¹ng
Internet.
ISE
Intergrated Software Enviroment
M«i tr−êng phÇn mÒm ®−îc
tÝch hîp.
ISP
In System Programming
LËp tr×nh trong hÖ thèng.
JEDEC
Joint Electron Device Enginnering
HiÖp héi khoa häc thiÕt bÞ
Council
®iÖn tö ghÐp nèi.
Joint Test Advisory Group
Nhãm t− vÊn kiÓm tra ghÐp
JTAG
nèi.
LAN
Local Area Network
M¹ng côc bé.
LEC
Logic Equivalence Checker
Bé kiÓm tra logic t−¬ng ®−¬ng
LMG
Logic Modeling Group
Nhãm mÉu Logic.
LUT
Look Up Table
B¶ng tra hay bé t¹o hµm logic
LVCMOS
Low Voltage Complementary Metal
Líp b¸n dÉn oxit kim lo¹i bæ
Oxide Semiconductor
xung ®iÖn ¸p thÊp.
LVDS
Low Voltage Differential Signaling
TÝn hiÖu vi sai ®iÖn ¸p thÊp
LVDSEXT
Low Voltage Differential signaling
TÝn hiÖu vi sai ®iÖn ¸p thÊp
Extension
më réng.
Low Voltage Positive Emitter
Logic phèi ghÐp Emiter d−¬ng
Coupled Logic
®iÖn ¸p thÊp.
Low Voltage Transitor To Transitor
Logic Transitor ®iÖn ¸p thÊp.
LVPECL
LVTTL
Logic
MAC
Multiply and Accumulate
Bé nh©n vµ tÝch luü
MAN
Metropolitan Area Network
M¹ng néi thÞ
MUX
Multiplexer
Bé chän kªnh
MOS
Metal-Oxide-Silicon
Kim lo¹i-Oxit-Silic
NGC
Native Generic Compiler
Bé biªn dÞch c¸c tÝnh chÊt
chung tù nhiªn
OE
Output Enable
Cho phÐp ®Çu ra
OTP
One Time Programmable
Cho phÐp lËp tr×nh mét lÇn
PACE
Pinout and Area Constraints Editor
Bé so¹n th¶o g¸n vïng c¸c
ch©n ra.
PAL
Programmable Array Logic
Logic m¶ng lËp tr×nh ®−îc
PCB
Printed Circuit Board
B¶ng m¹ch in.
PCI
Peripheral Component Interconnect
Liªn kÕt phÇn tö ngo¹i vi.
PCMCIA
Personal Computer Memory Card
HiÖp héi quèc gia vÒ thÎ nhí
International Association
m¸y tÝnh c¸c nh©n.
PLA
Programmable Logic Array
M¶ng logic lËp tr×nh ®−îc
PLD
Programmable Logic Device
ThiÕt bÞ logic lËp tr×nh ®−îc
PPGA
Plastic Pin-Grid Array
KiÓu ®ãng gãi h×nh ch÷ nhËt,
hai hµng ch©n, b»ng chÊt dÎo
tæng hîp
PROM
Programmable Read-Only-Memory
Bé nhí chØ ®äc lËp tr×nh ®−îc
RAM
Random-Access Memory
Bé nhí truy xuÊt ngÉu nhiªn
ROM
Read Only Memory
Bé nhí chØ ®äc
SRAM
Static Random-Access Memory
Bé nhí tÜnh truy xuÊt ngÉu
nhiªn - cßn gäi lµ RAM tÜnh
SRL16
Shift Register LUT
Bé dÞch LUT lµ ph−¬ng ph¸p
thay thÕ cho mçi bé t¹o chøc
n¨ng, mµ mçi bé nµy lµ mét
bé phËn cña CLB. Ph−¬ng
ph¸p nµy cho phÐp t¨ng sè
Flip-Flop lªn 16.
Stub Series Terminated Transceiver
§iÓm kÕt thóc ®Çu cuèi cña
Logic
bé thu ph¸t logic.
Time of Propagation Delay
Thêi gian gi÷ chËm ®−êng
(Through the Device )
truyÒn .
UCF
User Constraints File
File r»ng buéc ng−êi dïng.
VCCO
Voltage Current Controlled
ChuyÓn ®æi ®iÖn ¸p dßng ®iÖn
Oscillator
®−îc ®iÒu khiÓn b»ng bé dao
SSTL
Tpd
®éng.
VFM
Variable Function Multiplexer
Bé chän kªnh cho phÐp biÕn
®æi.
VREF
Voltage Reference
§iÖn ¸p tham chiÕu.
VSS
Visual Software Solution
Gi¶i ph¸p phÇn mÒm ¶o
VHDL
VHSIC Hardware Description
Ng«n ng÷ m« t¶ phÇn cøng
Language
cña m¹ch tÝch hîp tèc ®é rÊt
cao
VHSIC
Very High Speed Integrated Circuits M¹ch tÝch hîp tèc ®é rÊt cao
WPU
Weak Pull Up
Bé treo tÝn hiÖu ë møc yÕu
XCITE
Xilinx Controlled Impedance
Kü thuËt ®iÒu khiÓn trë kh¸ng
Technology
cña Xilinx
XST
Xilinx Synthesis Technology
Kü thuËt tæng hîp cña Xilinx
ZIA
Zero Power Interconnect Array
M¶ng c¸c ®−êng kÕt nèi
nguån kh«ng.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TÍN HIỆU VÀ CHỌN LỌC TÍN HIỆU
Chương một trình bày các khái niệm cơ bản về tín hiệu và hệ xử lý tín hiệu
nói chung, cũng như tín hiệu số và hệ xử lý số nói riêng, các cách biểu diễn tín hiệu
số và hệ xử lý số, phương pháp biến đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số và ngược
lại, phương pháp phân tích và xử lý hệ thống số. Nó là chương bổ trợ về mặt lý
thuyết cũng như chỉ ra vị trí của bộ lọc số trong hệ thống xử lý tín hiệu số, Nó là cơ
sở và là tiền đề cho các chương sau này. .
1.1. Tín hiệu tương tự (Analog) và tín hiệu số (Digital).
1.1.1.Khái niệm, phân loại tín hiệu và hệ xử lý tín hiệu
Để xác định đối tượng và phạm vi nghiên cứu của lĩnh vực xử lý tín hiệu số,
trước hết cần nắm được các khái niệm và thuật ngữ cơ bản về tín hiệu và các hệ xử
lý tín hiệu.
1.1.1.1. Khái niệm và phân loại tín hiệu:
1. Khái niệm về tín hiệu : Tín hiệu là một dạng vật chất có một đại lượng
vật lý được biến đổi theo quy luật của tin tức.
Có nhiều loại tín hiệu khác nhau, ví dụ như các tín hiệu âm thanh, ánh sáng,
sóng âm, sóng điện từ, tín hiệu điện ...vv... Mỗi lĩnh vực kỹ thuật thường sử dụng
một số loại tín hiệu nhất định. Trong các lĩnh vực có ứng dụng kỹ thuật điện tử,
người ta thường sử dụng tín hiệu điện và sóng điện từ, với đại lượng mang tin tức
có thể là điện áp, dòng điện, tần số hoặc góc pha. Mỗi loại tín hiệu khác nhau có
những tham số đặc trưng riêng, tuy nhiên tất cả các loại tín hiệu đều có các tham số
cơ bản là độ lớn (giá trị), năng lượng và công suất, chính các tham số đó nói lên bản
chất vật chất của tín hiệu . Tín hiệu được biểu diễn dưới dạng hàm của biến thời
gian x(t), hoặc hàm của biến tần số X(f) hay X(ω).
2. Phân loại tín hiệu: Theo dạng của biến thời gian t và giá trị hàm số x(t),
người ta phân loại tín hiệu như sau :
* Tín hiệu liên tục x(t) là tín hiệu có biến thời gian t liên tục.
5
Tín hiệu liên tục xác định liên tục theo thời gian, với giá trị hàm số có thể biến
thiên liên tục hoặc được lượng tử hóa, và có thể tồn tại các điểm gián đoạn loại một
hoặc loại hai.
Trên hình 1.1a là đồ thị của tín hiệu liên tục có giá trị liên tục. Trên hình 1.1b là
đồ thị của tín hiệu liên tục có giá trị lượng tử hóa từ tín hiệu trên hình 1.1a. Trên
hình 1.1c là đồ thị của tín hiệu liên tục có giá trị gián đoạn loại một.
x1(t)
x(t)
x(n)
4
2
t
t
0
a. Giá trị liên tục.
b. Giá trị lượng tử.
n
c. Giá trị gián đoạn.
Hình 1.1 : Đồ thị các tín hiệu liên tục.
* Tín hiệu rời rạc x(nT) là tín hiệu có biến thời gian gián đoạn t = nT.
Tín hiệu rời rạc chỉ xác định ở những thời điểm gián đoạn t = nT, không xác
định trong các khoảng thời gian ở giữa hai điểm gián đoạn.
Có thể biến đổi tín hiệu liên tục x(t) thành tín hiệu rời rạc x(nT), quá trình đó
được gọi là rời rạc hóa tín hiệu liên tục. Định lý lấy mẫu là cơ sở để thực hiện rời
rạc hóa tín hiệu liên tục mà không làm thay đổi thông tin mang trong nó. Quá trình
rời rạc hóa tín hiệu liên tục còn được gọi là quá trình lấy mẫu.
Trên hình 1.2a là đồ thị của tín hiệu rời rạc có giá trị liên tục (có thể nhận giá trị
bất kỳ tại mỗi thời điểm rời rạc). Trên hình 1.2b là tín hiệu rời rạc có giá trị được
lượng tử hóa từ tín hiệu trên hình 1.2a
x(nT)
x(nT)
nT
nT
a. Giá trị liên tục.
b. Giá trị được lượng tử hóa.
Hình 1.2 : Đồ thị các tín hiệu rời rạc.
6
* Tín hiệu lượng tử là tín hiệu chỉ nhận các giá trị xác định bằng số nguyên lần
một giá trị cơ sở gọi là giá trị lượng tử.
Quá trình làm tròn tín hiệu có giá trị liên tục hoặc gián đoạn thành tín hiệu lượng
tử được gọi là quá trình lượng tử hóa.
Trên hình 1.1b là tín hiệu liên tục được lượng tử hóa từ tín hiệu trên hình 1.1a.
Trên hình 1.2b là tín hiệu rời rạc được lượng tử hóa từ tín hiệu trên hình 1.2a..
* Tín hiệu tương tự là tín hiệu liên tục có giá trị liên tục hoặc lượng tử.
Nhiều tài liệu gọi tín hiệu tương tự theo tiếng Anh là tín hiệu
Analog. Các tín hiệu liên tục trên hình 1.1a và 1.1b là tín hiệu tương tự.
* Tín hiệu xung là tín hiệu có giá trị hàm số đoạn loại một.
Tín hiệu xung có thể là tín hiệu liên tục hoặc rời rạc. Trên hình 1.1c là tín hiệu
xung liên tục một cực tính, còn trên hình 1.2 là các tín hiệu xung rời rạc.
* Tín hiệu số là một nhóm xung được mã hóa theo giá trị lượng tử của tín hiệu
tại các thời điểm rời rạc cách đều nhau.
Mỗi xung của tín hiệu số biểu thị một bít của từ mã, nó chỉ có hai mức điện áp,
mức thấp là giá trị logic “0” , mức cao là giá trị logic “1”.
Số xung (số bít) của tín hiệu số là độ dài của từ mã. Tín hiệu số có 8 bít được gọi
là một byte, còn tín hiệu số có 16 bít bằng hai byte được gọi là một từ (hoặc gọi
theo tiếng Anh là word).
Nhiều tài liệu gọi tín hiệu số theo tiếng Anh là tín hiệu Digital. Tín hiệu số
thường được mã hóa theo mã nhị phân (Binary Code), mã cơ số tám (Octal Code),
mã cơ số mười sáu (Hexadecimal Code), mã nhị thập phân (Binary Coded
Decimal), mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) ....
Giá trị mã của tín hiệu số được gọi là số liệu (Data), nó chính là thông tin chứa
đựng trong tín hiệu. Vậy số liệu là ánh xạ của tín hiệu số, do đó các tác động lên số
liệu cũng chính là tác động lên tín hiệu.
Trên hình 1.3 là đồ thị của tín hiệu số 4 bít có giá trị mã nhị phân tại thời điểm
0T là 0110 , tại 1T là 1100 , tại 2T là 1101 , ....
7
Bít 3
0
0
NT
1
0
NT
1
1
NT
Bít 2
Bít 1
Bít 0
0
0T
NT
1
1T
2T
3T
4T
5T
6T
Hình 1.3 : Đồ thị tín hiệu số bốn bit và mã nhị phân của nó.
Như vậy, tín hiệu số là tín hiệu rời rạc, có giá trị lượng tử và được mã hóa. Do
đó có thể biến đổi tín hiệu liên tục thành tín hiệu số, quá trình đó được gọi là số hóa
tín hiệu liên tục. Quá trình số hóa tín hiệu liên tục được thực hiện qua 3 bước là :
- Rời rạc hóa tín hiệu liên tục, hay còn gọi là lấy mẫu.
- Lượng tử hóa giá trị các mẫu.
- Mã hóa giá trị lượng tử của các mẫu
Trên hình 1.4 mô tả quá trình số hóa các tín hiệu tương tự và tín hiệu xung thành
tín hiệu số 4 bít. Khi số hóa tín hiệu tương tự sẽ gây ra sai số lượng tử (xem hình
1.4a), nhưng khi số hóa tín hiệu xung thì ngoài sai số lượng tử còn có sai số về pha
(xem hình 1.4b).
8
x(t)
x(t)
4
4
2
t
0
x(nT)
2
0
t
x(nT)
4
4
2
n
0
x(nT)
2
nT
0
x(nT)
4
4
2
nT
0
Bít 1
Bít 0
nT
0
Bít 3
Bít 2
2
0
nT
1
nT
0
nT
1
nT
a. Số hóa tín hiệu tương tự.
Bít 3
0
nT
1
nT
0
nT
1
nT
Bít 2
Bít 1
Bít 0
b. Số hóa tín hiệu xung.
Hình 1.4 : Quá trình số hóa tín hiệu liên tục.
Cả ba bước của quá trình số hóa tín hiệu liên tục được thực hiện trên bộ biến đổi
tương tự số, viết tắt là ADC (Analog Digital Converter).
Để biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự, sử dụng bộ biến đổi số tương tự,
viết tắt là DAC (Digital Analog Converter). Tín hiệu tương tự ở đầu ra của DAC có
giá trị lượng tử như trên hình 1.1b .
1.1.1.2. Khái niệm và phân loại hệ xử lý tín hiệu
1. Khái niệm về xử lý tín hiệu và hệ xử lý tín hiệu:
* Xử lý tín hiệu là thực hiện các tác động lên tín hiệu như khuyếch đại, suy
giảm, chọn lọc, biến đổi, khôi phục .... giá trị và dạng của tín hiệu.
* Hệ xử lý tín hiệu là các mạch điện, các thiết bị, các hệ thống dùng để xử lý tín
hiệu.
Vậy xử lý tín hiệu đồng nghĩa với gia công tín hiệu, và hệ xử lý tín hiệu thực
hiện các tác động lên tín hiệu theo một quy luật nhất định.Hệ xử lý tín hiệu có thể
9
chỉ là một mạch điện đơn giản, cũng có thể là những thiết bị hoặc hệ thống phức
tạp.
Mỗi hệ xử lý tín hiệu cho dù là đơn giản hay phức tạp đều có những đặc thù
riêng phụ thuộc vào loại tín hiệu mà nó xử lý. Các loại tín hiệu khác nhau cần có
các hệ xử lý tín hiệu khác nhau. Vì thế, việc phân tích và tổng hợp các hệ xử lý tín
hiệu luôn gắn liền với việc nghiên cứu và phân tích loại tín hiệu mà nó xử lý.
2. Phân loại các hệ xử lý tín hiệu
Các hệ xử lý tín hiệu được phân loại theo nhiều cách khác nhau, ở đây trình bầy
cách phân loại theo tín hiệu mà nó xử lý.
* Hệ tương tự : (Analog System) Là các mạch, thiết bị và hệ thống để xử lý tín
hiệu tương tự.
Nhiều tài liệu gọi hệ tương tự theo tiếng Anh là hệ Analog.
* Hệ xung : (Impulse System) Là các mạch, thiết bị và hệ thống để xử lý tín hiệu
xung.
Hệ xung còn có thể được gọi là hệ gián đoạn theo thời gian (Discrete-Time
System).
* Hệ số : (Digital System) Là các mạch, thiết bị và hệ thống để xử lý tín hiệu số.
Các hệ số không có máy tính hoặc hệ thống vi xử lý, chỉ thực hiện xử lý tín hiệu
số bằng mạch phần cứng, thường được gọi là các mạch logic hoặc mạch số.
Các hệ số thực hiện xử lý tín hiệu số bằng phần mềm cần có máy tính hoặc hệ
thống vi xử lý. Về thực chất, việc xử lý tín hiệu số bằng phần mềm là xử lý các dãy
số liệu, tức là xử lý số. Vì thế, có thể coi các chương trình chạy trên máy tính là các
hệ xử lý số liệu.
Trong lĩnh vực xử lý tín hiệu số, người ta thường sử dụng thuật ngữ “ hệ xử lý
tín hiệu số “ (Digital Signal Processing System). hay ngắn gọn là ” hệ xử lý số “
(Digital Processing System). Để ngắn gọn và bao hàm cả hệ xử lý tín hiệu số lẫn hệ
xử lý số liệu, ở đây ta dùng thuật ngữ “ hệ xử lý số “.
* Hệ xử lý số tín hiệu : (Digital Processing System of Signal) Hệ xử lý số tín
hiệu là các mạch, thiết bị và hệ thống để xử lý cả tín hiệu số lẫn tín hiệu tương tự
10
bằng phương pháp số. Như vậy, hệ xử lý số tín hiệu bao gồm cả hệ tương tự và hệ
xử lý số.
Phần
tương tự 1
ADC
Phần
xử lý số
DAC
Phần
tương tự 2
Hình 1.5 : Sơ đồ khối của hệ xử lý số tín hiệu.
Sơ đồ khối của hệ xử lý số tín hiệu trên hình 1.5, trong đó phần tương tự 1 để xử
lý tín hiệu tương tự. Tín hiệu tương tự sau khi được số hóa bởi ADC trở thành tín
hiệu số, và sẽ được xử lý bởi phần xử lý số.
DAC thực hiện biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự, và nó được xử lý tiếp
bằng phần tương tự 2. Như vậy, ADC và DAC là các phần tử nối ghép giữa phần
tương tự và phần số của các hệ xử lý số tín hiệu. Trong nhiều trường hợp, tín hiệu
tương tự sau khi đã được xử lý số không cần biến đổi trở về dạng tương tự, hệ xử lý
số tín hiệu như vậy sẽ không có bộ biến đổi DAC và phần tương tự 2.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của lĩnh vực xử lý tín hiệu số là các hệ xử lý
số, cũng như tín hiệu số và các dãy số liệu.
1.1.1.3. Tín hiệu số và các tham số cơ bản của nó.
1. Biểu diễn và phân loại tín hiệu số:
* Biểu diễn tín hiệu số
Tín hiệu số là hàm của biến thời gian rời rạc x(nT), trong đó n là số nguyên, còn
T là chu kỳ rời rạc. Để thuận tiện cho việc xây dựng các thuật toán xử lý tín hiệu
số, người ta chuẩn hóa biến thời gian rời rạc nT theo chu kỳ T, nghĩa là sử dụng
biến n = (nT/T). Khi đó, tín hiệu số x(nT) được biểu diễn thành dạng dãy số x(n),
do đó có thể sử dụng các biểu diễn của dãy số để biểu diễn tín hiệu số, cũng như
sử dụng các phép toán của dãy số để thực hiện tính toán và xây dựng các thuật
toán xử lý tín hiệu số.
Giống như dãy số x(n), tín hiệu số có thể được biểu diễn dưới các dạng hàm
số, bảng số liệu, đồ thị và dãy số liệu. Người ta thường sử dụng biểu diễn tín hiệu số
11
dưới dạng dãy số liệu có độ dài hữu hạn để xử lý tín hiệu số bằng các chương trình
phần mềm.
Các phép toán cơ bản được sử dụng trong xử lý tín hiệu số là cộng, nhân,
nhân với hằng số, và phép trễ. Phép dịch sớm có thể được sử dụng ở các hệ xử lý số
bằng phần mềm trong thời gian không thực.
* Phân loại tín hiệu số
Có thể phân loại tín hiệu số theo dạng của dãy x(n), như đã được
trình bầy ở 1.2. Một số loại tín hiệu số thường gặp là:
- Tín hiệu số xác định và ngẫu nhiên.
- Tín hiệu số tuần hoàn và không tuần hoàn.
- Tín hiệu số hữu hạn và vô hạn.
- Tín hiệu số là dãy một phía.
- Tín hiệu số là dãy số thực.
- Tín hiệu số là dãy chẵn, và dãy lẻ.
- Tín hiệu số là dãy đối xứng, và dãy phản đối xứng.
Ngoài ra, theo giá trị năng lượng và công suất của tín hiệu số, người ta còn
phân biệt hai loại tín hiệu số sau:
- Tín hiệu số năng lượng là tín hiệu số có năng lượng hữu hạn.
- Tín hiệu số công suất là tín hiệu số có công suất hữu hạn.
2. Các tham số cơ bản của tín hiệu số
* Độ dài của tín hiệu số là khoảng thời gian tồn tại của tín hiệu tính bằng số
mẫu.
* Giá trị trung bình của tín hiệu số bằng tổng giá trị tất cả các mẫu chia cho
độ dài của tín hiệu.
Giá trị trung bình x(n) của tín hiệu số x(n) được tính như sau:
Đối với tín hiệu số x(n) một phía hữu hạn có độ dài N:
x ( n) =
1
N
N −1
∑ x ( n)
n =0
(1.1)
- Xem thêm -