Tài liệu TÌM HIỂU BỘ LỌC KALMAN ỨNG DỤNG LỌC NHIỄU TRONG CẢM BIẾN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ----------- BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: TÌM HIỂU BỘ LỌC KALMAN ỨNG DỤNG LỌC NHIỄU TRONG CẢM BIẾN GVHD : Th.S TRƯƠNG NGỌC SƠN SVTH : TRƯƠNG VĂN LƯU 07117034 NGUYỄN HUY DANH 07117012 TP.HỒ CHÍ MINH – 5/2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM Khoa Điện - Điện Tử Bộ Môn Điện Tử Viễn Thông CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày.....tháng...... năm 201... NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Bản nhiệm vụ này được đóng vào trang nhất của cuốn Đồ án) Họ tên sinh viên 1: ....................................................................................................................... Lớp:......................................................................................MSSV:............................................ Họ tên sinh viên 2: ....................................................................................................................... Lớp:......................................................................................MSSV:............................................ 1. Tên đề tài: ................................................................................................................................. ....................................................................................................................................................... 2. Nhiệm vụ (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu): ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... 3. Ngày giao nhiệm vụ ĐATN: ........................................... 4. Ngày bảo vệ 50% ĐATN: ............................................... 5. Ngày hoàn thành và nộp về khoa: ................................... 6. Giáo viên hướng dẫn: Phần hướng dẫn: 1.................................................................. ........................................................ 2 ................................................................. ....................................................... 3.................................................................. ........................................................ Nội dung và yêu cầu ĐATN đã thông qua Khoa và Bộ môn Ngày tháng năm 2011 TRƯỞNG KHOA (Ký và ghi rõ họ và tên) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Ký và ghi rõ họ tên) GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TPHCM Khoa Điện - Điện Tử Bộ Môn Điện Tử Viễn Thông CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày.....tháng...... năm 2011 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (Bản lịch trình này được nộp kèm theo cuốn ĐATN) Họ tên sinh viên 1: ....................................................................................................................... Lớp:......................................................................................MSSV:............................................ Họ tên sinh viên 2: ....................................................................................................................... Lớp:......................................................................................MSSV:............................................ Tên đề tài: ..................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên Đồ Án Tốt Nghiệp Trang i LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này, trước hết, chúng em xin gởi lời cảm ơn đến thầy Trương Ngọc Sơn đã định hướng, hướng dẫn tận tình để nhóm có thể hoàn thành tốt nhất nhiệm vụ được giao. Bên cạnh đó, chúng em cũng không quên gởi lời cảm ơn đến toàn thể quý thầy cô khoa Điện – Điện tử nói chung và bộ môn Điện tử viễn thông nói riêng đã cung cấp cho chúng em những kiến thức quý báo trong suốt thời gian học tập ở ngôi trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TPHCM để chúng em hoàn thành được đồ án này. Đồng thời, chúng con xin gởi tới cha mẹ và gia đình – những người đã ở bên chúng con suốt những năm chúng con học tập và tiến hành đồ án. Nhóm thực hiện đề tài cũng xin cảm ơn đến các anh chị em khoa Điện – Điện tử và toàn thể lớp 071170 đã giúp đỡ chia sẽ kinh nghiệm và kiến thức giúp nhóm làm tốt công việc trong suốt tiến trình thực hiện đề tài. Tuy nhiên, do thời gian và kiến thức có hạn nên đồ án chắc chắn không thể tránh khỏi những thiếu sót, nhóm thực hiện đề tài rất mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy, các cô và toàn thể các bạn. Một lần nữa xin cảm ơn tất cả mọi người với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất! Nhóm thực hiện đề tài Nguyễn Huy Danh – Trương Văn Lưu Đồ Án Tốt Nghiệp Trang ii ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT Đề tài: TÌM HIỂU BỘ LỌC KALMAN ỨNG DỤNG LỌC NHIỄU TRONG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1. Lý do chọn đề tài 1.2. Mục tiêu chọn đề tài 1.3. Đối tượng nghiên cứu 1.4. Giới hạn đề tài 1.5. Yêu cầu thiết kế hệ thống 1.6. Ý nghĩa thực tiễn CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ LỘC SỐ 2.1. Mở đầu. 2.2. Giới thiệu về bộ lọc số. 2.3. Các thông số của hệ thống ở miền thời gian. 2.4. Các thong số của hệ thống ở miền tần số. 2.5. Các dạng bộ lọc CHƯƠNG 3: BỘ LỌC KALMAN 3.1. Giới thiệu về bộ lọc Kalman 3.2. Lý thuyết về ước lượng 3.3. Lọc thích nghi – bộ lọc Kalman 3.4. So sánh và kết luận CHƯƠNG 4:ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN VÀO LỌC NHIỄU CẢM BIẾN 4.1. Các loại nhiễu có thể ảnh hưởng tới cảm biến 4.2.Thuật toán kalman vào lọc nhiễu trong cảm biến CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 5.1. Thiết kế mạch vi xử lý 5.2. Mạch kết hợp cảm biến gyro và Acer CHƯƠNG 6: Lập trình 6.1. Lưu đồ và lập trình bằng ngôn ngữ C cho vi điều khiển Đồ Án Tốt Nghiệp Trang iii MỤC LỤC Trang bìa lót Quyết định giao đề tài...................................................................................................... Lịch trình thực hiện đề tài................................................................................................ PHẦN A: GIỚI THIỆU................................................................................................................ LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................................i ĐỀ CƯƠNG CHI TIẾT...............................................................................................................ii 1.3. Đối tượng nghiên cứu...................................................................................................ii 1.4. Giới hạn đề tài...............................................................................................................ii 1.5. Yêu cầu thiết kế hệ thống.............................................................................................ii 1.6. Ý nghĩa thực tiễn...........................................................................................................ii MỤC LỤC..................................................................................................................................iii LIỆT KÊ BẢNG..........................................................................................................................v LIỆT KÊ HÌNH..........................................................................................................................vi BẢNG LIỆT KÊ VIẾT TẮT.....................................................................................................vii TÓM TẮT LUẬN VĂN...........................................................................................................viii ABSTRACT...............................................................................................................................ix CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU.......................................................................................................10 1.1. Lý do chọn đề tài.........................................................................................................10 1.2. Mục tiêu của đề tài......................................................................................................10 1.3. Đối tượng nghiên cứu.................................................................................................10 1.4. Giới hạn đề tài.............................................................................................................10 1.5. Yêu cầu thiết kế hệ thống:...........................................................................................10 1.6. Ý nghĩa thực tiễn.........................................................................................................10 1.7. Bố cục đồ án................................................................................................................11 2.1 Mở Đầu:...........................................................................................................................12 2.2.GIỚI THIỆU VỀ LỌC SỐ:.............................................................................................13 2.3.CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG Ở MIỀN THỜI GIAN:.......................................15 2.3.1.Tốc độ chuyển đổi hay thời gian lên( Risetime):......................................................15 2.3.2.Gợn sóng nhô( Overshoot) trong đáp ứng bậc thang:...............................................15 2.3.3.Pha tuyến tính:..........................................................................................................15 2.4.CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG Ở MIỀN TẦN SỐ:..............................................16 2.5.CÁC BỘ LỌC THÔNG THẤP, THÔNG CAO, THÔNG DẢI, VÀ CHẮN DẢI:........18 Đồ Án Tốt Nghiệp Trang iv 2.6.CẤU TRÚC CĂN BẢN CỦA CÁC BỘ LỌC SỐ:.........................................................22 2.6.1.Bộ lọc FIR:...............................................................................................................22 2.6.2.Bộ lọc IIR:................................................................................................................28 2.7.KẾT LUẬN:....................................................................................................................30 CHƯƠNG 3: BỘ LỌC KALMAN............................................................................................31 3.1. GIỚI THIỆU VỀ BỘ LỌC KALMAN......................................................................31 3.2. LÝ THUYẾT VỀ ƯỚC LƯƠNG...............................................................................31 3.2.1. KHÁI NIỆM :......................................................................................................31 3.2.2. ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG...............................................................................31 3.2.3. PHƯƠNG SAI.....................................................................................................32 3.2.4. ƯỚC LƯỢNG CỦA TRUNG BÌNH VÀ PHƯƠNG SAI..................................34 3.2.5. HƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG BÉ NHẤT.....................................................36 3.3. LỌC THICH NGHI-BỘ LỌC KALMAN..............................................................37 3.3.1. LÝ THUYẾT BỘ LỌC KALMAN.....................................................................37 3.3.2. QUY TRÌNH ƯỚC LƯỢNG................................................................................40 3.3.3. THUẬT TOÁN KALMAN GIÁN ĐOẠN..............................................................40 3.3.4. KẾT LUẬN.........................................................................................................43 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................46 Đồ Án Tốt Nghiệp Trang v LIỆT KÊ BẢNG Chương 2: Bảng 2.1 : Các cặp biến đổi Z thông dụng...............................................................25 Bảng 2.2 : Các tính chất của biến đồi Z...................................................................26 Bảng 2.3 : Một vài cửa sổ thông dụng.....................................................................28 Đồ Án Tốt Nghiệp Trang vi LIỆT KÊ HÌNH Chương 2 Hình 2.1 – Quá trình hoạt động của một bộ lọc số...................................................12 Hình 2.2 – Đáp ứng xung, đáp ứng bước và đáp ứng tần số của bộ lọc...................14 Hình 2.3 – Các thông số của hệ thống ở miền thời gian..........................................16 Hình 2.4 – Các đáp ứng tần số của các bộ lọc căn bản............................................17 Hình 2.5 – Các thông số của hệ thống ở miền tần số...............................................28 Hình 2.6 – sự nghịch đảo phổ..................................................................................29 Hình 2.7 – Sự đảo chiều phổ...................................................................................20 Hình 2.8 – Thiết kế bộ lọc thông dải........................................................................20 Hình 2.9 – Thiết kế bộ lọc chắn dải.........................................................................21 Hình 2.10 – Các tham số kỹ thuật của bộ lọc thông thấp........................................22 Hình 2.11 – Cấu trúc bộ lọc FIR thể hiện các bộ trễ................................................25 Hình 2.12 – Cấu trúc hàng rào FIR..........................................................................25 Hình 2.13 – Sự thực hiện bộ lọc FIR dạng trực tiếp................................................27 Hình 2.14 – Sự thực hiện ngang hàng của một bộ lọc FIR......................................27 Hình 2.15 – Sự thực hiện bộ lọc FIR dạng tế bào của bộ nhân/tích luỹ song song. .27 Hình 2.16 – Sự thực hiện bộ lọc FIR dạng chuyển vị..............................................28 Hình 2.17 – Cấu trúc bộ lọc IIR dạng trực tiếp I......................................................29 Hình 2.18 – Cấu trúc bộ lọc IIR dạng trực tiếp II....................................................30 Chương 3 Hình 3.1 – Tín hiệu thu chưa lọc..............................................................................38 Hình 3.2 – Tín hiệu thu đã lọc qua kalman...............................................................39 Hình 3.3 – Sơ đồ bộ lọc Kalman...............................................................................39 Hình 3.4 – Chu kì bộ lọc gián đoạn.........................................................................41 Hình 3.5 – Sơ đồ tiến trình......................................................................................43 Đồ Án Tốt Nghiệp Trang vii BẢNG LIỆT KÊ VIẾT TẮT ALU Arithmetic - Logic Unit AM APA CCS CPU CSR DC DC DP EDMA EMIF IT HID EP FIR IE API SNMP FM EIRP ERP IER IFR IIR LMS McBSP GIE FP HPI Amplitude Modulation Affine Projection Algorithm Code Composer Studio Central Processing Unit Control Status Register Decode Direct Current Dispath Enhanced Direct Memory Access External Memory Interface Informatic Technology Hughes Identification Devices Execute Packet Finite Impulse Respone Interrupt Enable Application Programming Interface Simple Network Management Protocol Frequency Modulation Equivalent Isotropic Radio Power Equivalent Radio Power Interrupt Enable Register Interrupt Flag Register Infinite Impulse Respone Least Mean Square Multi-channel Buffered Serial Ports Global Interrupt Enable Fetch Packet Host - Port Interface Đồ Án Tốt Nghiệp Trang viii TÓM TẮT LUẬN VĂN Đề tài là sự kết hợp giữa thuật toán kalman, lập trình bằng ngôn ngữ C trên vi xử lý lọc nhiễu cho cảm biến góc nghiêng  Cơ sở lý thuyết: - Tìm hiểu chung về thuật toán Kalman. - Đặc trưng cơ bản bộ lọc kalman. - Ứng dụng của cảm biến góc nghiêng  Thiết kế và thi công: - Thi công được mạch mạch vi xử ly kết hợp với cảm biến góc nghiêng. - Lập trình thuật toán Kalman bằng ngôn ngữ C trên vi xử lý. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang ix ABSTRACT Thread is a combination of Kalman algorithms, programming language C on a noiseprocessor for angle sensor  Theoretical basis: - Learn general Kalman algorithm. - A principal Kalman filter. - Application of tilt sensors  Design and execution: - Construction of the microprocessor circuit combined with the angle sensor. - Programming Kalman algorithm in C language on a microprocessor. Đồ Án Tốt Nghiệp Trang x Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 11 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, nền công nghệ thế giới đang phát triển nhanh chóng với hàng loạt các giải pháp công nghệ ra đời mỗi năm. Theo đó, các sinh viên ngành công nghệ ngoài việc tiếp thu các kiến thức ở giảng đường còn phải tìm hiểu và nghiên cứu thêm các công nghệ tiên tiến trên thế giới để có thể đáp ứng được yêu cầu cao của thị trường lao động. Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị trong dân dụng cũng như trong công nghiệp. Thế nhưng nhiều loại cảm biến lại rất nhạy cảm với nhiễu, vấn đề làm sao để loại nhiễu ra khỏi tín hiệu là một vấn đề thật sự không đơn giản. Với những ưu điểm vượt trội, tiềm năng ứng dụng của thuật toán Kalman vào thực tế trong việc áp dụng để thu được tín hiệu gần đúng với tín hiệu thật từ cảm biến là rất khả quan , vì vậy việc nghiên cứu để nắm rõ và tiến tới làm chủ phương pháp này là rất cần thiết và bổ ích. Ngoài ra, với mong muốn áp dụng và lập trình thuật toán Kalman vào thực tế nhóm đề xuất chọn đề tài “ TÌM HIỂU BỘ LỌC KALMAN ỨNG DỤNG VÀO LỌC NHIỄU TRÊN NHIỄU TRÊN CẢM BIẾN” làm đề tài tốt nghiệp của nhóm. 1.2. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu về thuật toán Kalman, ứng dụng lọc nhiễu cho cảm biến góc nghiên. Lập trình bộ lọc trên vi xử lý 1.3. Đối tượng nghiên cứu  Thuật toán Kalman  Ngôn ngữ lập trìn C  Vi xử lý và cảm biến góc nghiêng Giới hạn đề tài 1.4. Nhóm đã cố gắng hết sức và dành rất nhiều thời gian cho quá trình nghiên cứu đề tài nhưng do nguyên nhân khách quan (giá thành thiết bị quá đắt, tài liệu về đề tài còn tương đối ít, lượng kiến thức liên quan đến đề tài là mới so với nhóm nghiên cứu) cũng như kinh nghiệm, kỹ năng của nhóm còn thiếu nên không thể tránh khỏi những khó khăn. Vì vậy nhóm hạn chế đề tài ở việc xây dựng phần mềm quản lý và thiết kế, thi công mô hình mà chưa đưa ra sản phẩm hoàn thiên thực sự. 1.5. Yêu cầu thiết kế hệ thống: Yêu cầu về phần cứng: Đọc các giá trị từ cảm biến tốt, giao động ít , không bị ảnh hưởng nhiều từ nhiễu. 1.6. Ý nghĩa thực tiễn Nếu được hoàn thiện và đưa vào áp dụng, đề tài chắc chắn sẽ đem lại nhiều lợi ích trong việc áp dụng vào thực tế lọc nhiễu trong cảm biến cũng như trong truyền tín hiệu. Dàn ý nghiên cứu  Nghiên cứu thuật toán kalman - Tổng quan về thuật toán Kalman Chương 1: Giới Thiệu Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 12 - Nghiên cứu về ước lượng - Ứng dụng lập trình thuật toán trên vi xử lý  Thiết kế phần cứng - Tìm hiểu yêu cầu thiết kế mạch vi xu lý giao tiếp với Lcd - Thiết kế mạch kết hợp cảm biến góc nghiêng 1.7. Bố cục đồ án Ngoài chương mở đầu: Giới thiệu tổng quan về đề tài và chương cuối: Kết luận và hướng phát triển đề tài. Đồ án gồm 2 phần cơ bản sau:  Phần 1: Cơ sở lý thuyết, gồm 3 chương - Chương 2: Tổng quan về bộ lọc số - Chương 3: Bộ lọc Kalman - Chương 4: Ứng dụng thuật toán Kalman vào bài toán lọc nhiễu  Phần 2: Thiết kế và thi công, gồm 4 chương - Chương 6: Thiết kế phần cứng - Chương 7: lập trình cho vi xử lý Chương 1: Giới Thiệu Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 13 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC SỐ 2.1 Mở Đầu: Lọc số là quá trình rất quan trọng của xử lý tín hiệu số, vì chính những khả năng phi thường của các bộ lọc số đã làm cho chúng trở nên rất phổ biến như ngày nay. Các bộ lọc số gồm có hai công dụng chính : phân tích tín hiệu và phục hồi tín hiệu. Phân tích tín hiệu được áp dụng khi tín hiệu mong muốn bị giao thoa với các tín hiệu khác hay bị các loại nhiễu tác động vào nó. Còn phục hồi tín hiệu là khi tín hiệu mà ta mong muốn hay cần để đánh giá, xét nghiệm bị sai lệch đi bởi nhiều yếu tố của môi truờng tác động vào; làm cho nó bị biến dạng gây ảnh hưởng đến kết quả đánh giá. Có hai kiểu lọc chính: Tương tự và số. Chúng khác nhau hoàn toàn về cấu tạo vật lý và cách làm việc. Một bộ lọc tương tự sử dụng các mạch điện tương tự được tạo ra từ các thiết bị như là điện trở, tụ điện, hay opamp, …Có các chuẩn kỹ thuật tốt đã tồn tại trong một thời gian dài cho việc thiết kế một mạch bộ lọc tương tự. Còn một bộ lọc số thì sử dụng một bộ xử lý số để hoạt động tính toán số hoá trên các giá trị được lấy mẫu của tín hiệu. Bộ xử lý có thể là một máy tính mục đích chung như một PC, hay một chíp DSP chuyên dụng. Các quá trình hoạt động của một bộ lọc số được thể hiện như hình 2.1 sau: Hình 2.1: Quá trình hoạt động của một bộ lọc số. Nói chung các công việc của bộ lọc số có thể được thực hiện bởi bộ lọc tương tự( Analog Filter). Các bộ lọc tương tự có ưu điểm là giá thành rẻ, tác động nhanh, dải động( Dynamic Range) về biên độ và tần số đều rộng. Tuy nhiên các bộ lọc số thì có các cấp độ thực hiện hơn hẳn các bộ lọc tương tự, ví dụ như: các bộ lọc số thông thấp có thể có độ lợi( Gain) 1+/-0.0002 từ DC đến 1000Hz và độ lợi sẽ nhỏ hơn 0.0002 ở các tần số trên 1001Hz. Tất cả các hoạt động diễn ra Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 14 chỉ trong khoảng 1Hz. Điều này không thể thực hiện được ở các bộ lọc tương tự. Và vì vậy các bộ lọc số sẽ dần dần thay thế cho các bộ lọc tương tự với các ưu điểm cụ thể như sau: 1) Một bộ lọc số thì có khả năng lập trình được, còn một bộ lọc tương tự, muốn thay đổi cấu trúc thì phải thiết kế lại bộ lọc. 2) Các bộ lọc số dễ dàng thiết kế, dễ kiểm tra và dễ thi hành trên một máy tính mục đích chung hay một trạm làm việc. 3) Đặc điểm các mạch lọc tượng tự là bị ảnh hưởng bởi sự trôi và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Các bộ lọc số thì không có các vấn đề này, và rất ổn định với cả thời gian và nhiệt độ. 4) Các bộ lọc số có thể xử lý các tín hiệu tần số thấp rất chính xác. Tốc độ của công nghệ DSP ngày càng tăng lên, làm cho các bộ lọc số có khả năng xử lý các tín hiệu tần số cao trong miền âm tần( Radio Frequency), mà trong quá khứ là lĩnh vực độc quyền của công nghệ tương tự. 5) Các bộ lọc số linh hoạt hơn nhiều trong xử lý tín hiệu, với nhiều cách khác nhau hay chính là sự xử lý thích nghi. 6) Các bộ xử lý DSP nhanh có thể xử lý các tổ hợp phức tạp, phần cứng tương đối đơn giản, và mật độ tích hợp rất cao. Để nâng cao chất lượng của các bộ lọc tương tự, ta chú trọng khắc phục hạn chế của linh kiện như độ chính xác, độ ổn định, sự phụ thuộc vào nhiệt độ và .v.v. Còn đối với các bộ lọc số, vốn dĩ bản thân nó đã có nhiều ưu điểm nên ta chỉ chú trọng đến các hạn chế của tín hiệu và các phương pháp thiết kế về thuật toán chương trình xử lý tín hiệu. Trong chương này, chúng ta sẽ tìm hiểu về một số lý thuyết cơ sở về lọc tín hiệu. 2.2.GIỚI THIỆU VỀ LỌC SỐ: Trong xử lý tín hiệu số, ta thường nói tín hiệu vào và ra của một bộ lọc đều ở miền thời gian, bởi vì tín hiệu thường được tạo ra bằng cách lấy mẫu ở các thời điểm cách đều nhau. Tuy nhiên, ta cũng có thể lấy mẫu ở các vị trí cách đều nhau trong không gian hay trong một số phạm trù khác; nhưng thông thường nhất là lấy mẫu trong miền thời gian và miền tấn số. Trong xử lý tín hiệu số thì từ miền thời gian ta có thể liên hệ tổng quát đến các phạm trù khác. Ví dụ hình 2.2 sau sẽ mô tả điều đó. Mỗi bộ lọc tuyến tính đều có một đáp ứng xung, một đáp ứng bước và một đáp ứng tần số. Mỗi đáp ứng này đều chứa đầy đủ thông tin về bộ lọc, nhưng dưới mỗi dạng khác nhau. Nếu Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 15 một trong ba đáp ứng được xác định thì hai đáp ứng kia cũng sẽ được tính ra trực tiếp. Cả ba đáp ứng này đều rất quan trọng, vì chúng mô tả bộ lọc ở các hoàn cảnh khác nhau. Với đáp ứng xung là đầu ra của hệ thống khi đầu vào là xung đơn vị; đáp ứng bước là đầu ra của hệ thống khi đầu vào là bước nhảy đơn vị( hay xung bậc thang). Vì hàm bước nhảy là tích phân của hàm xung đơn vị, nên đáp ứng bước chính là tích phân của đáp ứng xung. Từ đó ta có hai cách tìm đáp ứng bậc thang:  Đưa một sóng bước nhảy vào bộ lọc và xem kết quả ở đầu ra hay;  Lấy tích phân của đáp ứng xung. Còn đáp ứng tần số lấy từ biến đổi Fourier của đáp ứng xung. Hình 2.2: Đáp ứng xung, đáp ứng bước và đáp ứng tần số của bộ lọc. Phương pháp trực tiếp nhất để thực hiện lọc số là dùng phép tích chập của tín hiệu vào với đáp ứng xung của bộ lọc số; khi đó đáp ứng xung được xem là cốt lõi cho việc thiết kế của bộ lọc. Một phương pháp khác để thực hiện lọc số là dùng phương pháp đệ quy. Khi bộ lọc được thực hiện bằng phép tích chập, mỗi mẫu trong tín hiệu ra được tính toán bằng cách tổ hợp có trọng số các mẫu trong tín hiệu vào. Các bộ lọc kiểu đệ quy mở rộng thêm quá trình trên bằng cách sử dụng cả các trị số đã tính được từ tín hiệu ra, bên cạch các điểm lấy từ tín hiệu vào; thay vì dùng một lõi lọc, các bộ lọc đệ quy được xác định bởi một dãy hệ số đệ quy. Các bộ lọc đệ quy còn được gọi là các bộ lọc có đáp ứng xung dài vô hạn IIR, còn các bộ lọc thực hiện theo phương pháp chập thì gọi là các bộ lọc có đáp ứng xung dài hữu hạn FIR. Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 16 Có nhiều cách để con người biểu diễn thông tin qua tín hiệu như trong các kiểu điều chế hay mã hóa tín hiệu: AM, FM, PCM,…Còn các tín hiệu sinh ra trong tự nhiên thì chỉ có hai cách biểu diễn là theo miền thời gian hay là ở miền tần số. Thông tin được thể hiện trong miền thời gian được mô tả bằng độ lớn của sự kiện tại thời điểm xuất hiện. Mỗi mẫu trong tín hiệu cho thấy cái gì xuất hiện ở thời điểm ấy và độ lớn của nó. Trái lại, thông tin được biểu thị trong miền tần số có tính chất gián tiếp hơn và mỗi mẫu tín hiệu đơn độc không thể thể hiện được thông tin đầy đủ mà phải trong mối quan hệ nhiều điểm của tín hiệu. Từ đó ta thấy tầm quan trọng của đáp ứng bước và đáp ứng tần số; đáp ứng bước mô tả sự biến đổi của thông tin trong miền thời gian bởi hệ thống còn đáp ứng tần số cho thấy sự biến đổi của thông tin trong miền tần số. Với mỗi ứng dụng khác nhau thì tầm quan trọng của hai loại đáp ứng cũng khác nhau. 2.3.CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG Ở MIỀN THỜI GIAN: Gồm có ba thông số quan trọng sau. 2.3.1.Tốc độ chuyển đổi hay thời gian lên( Risetime): Tốc độ chuyển đổi thường được thể hiện bằng thời gian lên( hay số mẫu) giữa mức biên độ 10% đến 90%. Thời gian lên có thể không nhanh do nhiều nguyên nhân như tạp âm, hạn chế sẵn có của hệ thống.v.v. 2.3.2.Gợn sóng nhô( Overshoot) trong đáp ứng bậc thang: Thông thường phải loại bỏ gợn sóng nhô vì nó làm thay đổi biên độ các mẫu trong tín hiệu; đây là méo tín hiệu cơ bản của thông tin chứa trong miền thời gian. Gợn sóng nhô có thể do đại lượng đang đo hoặc do bộ lọc đang sử dụng. 2.3.3.Pha tuyến tính: Pha tuyến tính hay là sự đối xứng của nửa trên và nửa dưới của đáp ứng xung. Sự đối xứng này là cần thiết để làm cho các cạnh lên có dạng giống các cạch xuống. Hình 2.3 sau sẽ cho ta thấy các thông số đó của hai loại bộ lọc có chất lượng khác nhau. Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số Đồ Án Tốt Nghiệp Trang 17 Hình 2.3: Các thông số của hệ thống ở miền thời gian. 2.4.CÁC THÔNG SỐ CỦA HỆ THỐNG Ở MIỀN TẦN SỐ: Gồm các thông số sau:  Dải thông( Passband): là dải gồm các tần số được bộ lọc cho qua.  Dải chắn( Stopband): là dải chứa các tần số bị ngăn cản.  Dải chuyển tiếp( Transitionband): là dải ở vị trí trung gian của dải thông với dải chắn.  Độ dốc xuống nhanh: là ứng với mỗi dải chuyển tiếp rất hẹp.  Tần số cắt: là tần số phân cách giữa dải thông và dải chuyển tiếp. Trong thiết kế tương tự, tần số cắt thường được xác định tại nơi biên độ giảm còn 0.707( tương Chương 2: Tổng Quan Về Bộ Lọc Số