Tài liệu Thiết kế bộ lọc tín hiệu số trên công nghệ fpga với công cụ matlab va eda

  • Số trang: 132 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 70 |
  • Lượt tải: 0
thuvientrithuc1102

Đã đăng 15893 tài liệu

Mô tả:

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 -