Bài giảng tín hiệu số địa học bách khoa hồ chí minh

316 365 0
Bài giảng tín hiệu số địa học bách khoa hồ chí minh

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Chương BK TP.HCM Faculty of Computer Science and Engineering HCMC University of Technology 268, av Ly Thuong Kiet, District 10, HoChiMinh city Telephone : (08) 864-7256 (ext 5843) Fax : (08) 864-5137 Email : anhvu@hcmut.edu.vn http://www.cse.hcmut.edu.vn/~anhvu GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ TÍN HIỆU SỐ T.S Đinh Đức Anh Vũ Tớn hiu v H thng Đ Tớn hiu (t/h) êi lượng vật lý biến thiên theo thời gian, theo không gian, theo nhiều biến độc lập khác • Âm thanh, tiếng nói: dao động sóng ~ thời gian (t) • Hình ảnh: cường độ ánh sáng ~ khơng gian (x,y,z) • Địa chấn: chấn động địa lý ~ thời gian ªBiểu diễn tốn học: hàm theo biến độc lập • u(t) = 2t2 – • f(x,y) = x2 2xy 6y2 Ơ ã Cỏc t/h t nhiên thường không biểu diễn hàm sơ x(t ) = å Ai (t )cos[2p Fi (t ) + q i (t )] cấp § Hàm xấp xỉ cho t/h tự nhiên DSP – Lecture 1, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE i =-¥ Tín hiu v H thng Đ H thng (h/t) êThit b vật lý, thiết bị sinh học, chương trình thực phép tốn tín hiệu nhằm biến đổi tín hiệu, rút trích thơng tin, … ªViệc thực phép tốn cịn gọi xử lý tín hiệu ªVí dụ • Các lọc t/h • Các trích đặc trưng thơng tin t/h • Các phát, thu, điều chế, giải điều chế t/h, … DSP – Lecture 1, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE Phân loại tín hiệu, hệ thống § T/h đa kênh – T/h đa chiều ªT/h đa kênh: gồm nhiều t/h thành phần, chung mô tả đối tượng (thường biểu diễn dạng vector) • T/h điện tim (ECG – ElectroCardioGram) • T/h điện não (EEG ElectroEncephaloGram) ã T/h nh mu RGB êT/h a chiều: biến thiên theo nhiều biến độc lập • T/h hình ảnh: ~ (x, y) • T/h TV trắng đen: ~ (x, y, t) ªCó t/h vừa đa kênh đa chiều • T/h TV màu DSP – Lecture 1, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE Phõn loi tớn hiu, h thng Đ T/h LTTG êT/h định nghĩa điểm đoạn thời gian [a, b] êx(t) DSP Lecture 1, â 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu CSE Đ T/h RRTG êT/h ch c định nghĩa thời điểm rời rạc ªx(n) Phân loại tín hiệu, hệ thống § T/h liên tục giá trị ªT/h nhận trị đoạn [Ymin, Ymax] DSP – Lecture 1, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE § T/h rời rạc giá trị ªT/h nhận trị tập trị rời rạc định trước Phân loại tín hiệu, hệ thống § T/h LTTG, liên tục giá trị ªT/h tương tự (analog) DSP – Lecture 1, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu CSE Đ T/h RRTG, ri rc giỏ tr êT/h số (digital) Phân loại tín hiệu, hệ thống § T/h ngẫu nhiên ªGiá trị t/h tương lai khơng thể biết trước ªCác t/h tự nhiên thường thuộc nhóm DSP – Lecture 1, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu CSE Đ T/h tt nh êGiỏ trị t/h khứ, tương lai xác định rõ ªT/h có cơng thức xác định rõ ràng Phân loại tín hiệu, hệ thống § H/t xử lý t/h tương tự § H/t xử lý t/h số ADC t/h tương tự Hệ thống tương tự t/h tương tự t/h số Hệ thống số t/h số DAC DSP – Lecture 1, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE Phân loại tín hiệu, hệ thống § H/t xử lý t/h số ªCó thể lập trình ªDễ mơ phỏng, cấu hình - sản xuất hàng loạt với độ xác cao ªGiá thành hạ ªT/h số dễ lưu trữ, vận chuyển lưu Nhược điểm ªKhó thực với t/h có tần số cao DSP – Lecture 1, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE 10 Đ/k để lọc nhân [h(n) + h(-n)] ho (n) = [h(n) - h(- n)] he (n) = h(n) = he (n) + ho (n) h(n) nhân h(n) = 2he (n)u (n) - he (0)d (n) h(n) = 2ho (n)u (n) + h(0)d (n) ho (n) = he (n) n ³ n³0 n ³1 h(n) = he (n) + ho (n) h(n) thực F F H (w ) = H R (w ) + jH I (w ) BĐ Hilbert rời rạc h(n) mô tả he(n) H(ω) mô tả HR(ω) H(ω) mô tả HI(ω) h(0) H I (w ) = - 21 p p H R (l ) cot( w l )dl ò -p DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE Bộ lọc tần số thực tế M § LTI N M y (n) = -å ak y (n - k ) + å bk x(n - k ) k =1 H (w ) = k =0 § Đặc trưng Transition Band |H(ω)| bk e - jwk å k =0 N + å ak e - jwk k =1 δ1: Passband ripple δ2: Stopband ripple ωp: Passband edge ripple ωs: Stopand edge ripple 1+δ1 1-δ1 StopBand Passband ripple δ2 ω ωp DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE ωs π Thiết kế lọc FIR – Tính đối xứng & phản đối xứng § Bộ lọc FIR § M -1 y (n) = å bk x(n - k ) k =0 Bộ lọc FIR tuyến tính pha ª H(ω) có pha Ө(ω) hàm tuyến tính ª Đ/k: h(n) = ± h(M–1–n) n = 0, 1, …, M-1 M -1 H ( z ) = å h( k ) z - k h(k) = bk k =0 y (n) = M -1 å h(k ) x(n - k ) k =0 1/z1* z1 1/z2 z2 z 1* 1/z1 DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE • Thay z z-1 • Nhân vế với z-(M-1) • h(n) = ± h(M–1–n) z - ( M -1) H ( z -1 ) = ± H ( z ) • Nếu z1 nghiệm (hoặc zero) H(z) 1/z1 nghiệm • Để h(n) thực z1* nghiệm 1/ z1* nghiệm Thiết kế lọc FIR – Tính đối xứng & phản đối xứng § Hàm h/t H ( z) = h(0) + h(1) z -1 + + h( M - 1) z - ( M -1) [ M -3 ì - ( M -1) ì ( M -1-2 n ) ï M -1 - ( M -1-2 n ) 2 ±z ïz íh ( ) + å h ( n ) z ï n =0 ï ỵ =í M ( M -1- n ) ï - ( M2-1) -1 - ( M -1-2 n ) ±z å h ( n) z ùz n=0 ợ [ Đ ] ] ỹ ù ý ù ỵ M leỷ M chaỹn ỏp ứng xung đơn vị đối xứng h(n) = h(M – – n) H (w ) = H r (w )e Biên độ thực Đặc tính pha - jw ( M2-1) ì M -1 ïh( ) + 2å h(n) cos w ( M -1- n ) ï n=0 H r (w ) = í M -1 ï 2å h(n) cos w ( M -1- n ) ï ỵ n=0 H r (w ) > ì- w ( M2-1 ) Q(w ) = í - w ( M2-1 ) + p H r (w ) < ợ DSP Lecture 8, â 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE M -3 M leû M chẵn Tuyến tính Thiết kế lọc FIR – Tính đối xứng & phản đối xứng § Đáp ứng xung đơn vị phản đối xứng h(n) = –h(M–1–n) ª Khi M lẻ h[(M–1)/2] = H (w ) = H r (w )e - j [w ( M2-1 ) - p ] Biên độ thực ì ï å h ( n ) sin w ( M -1- n ) M leû ï n=0 H r (w ) = í M -1 ï 2 å h ( n ) sin w ( M -1- n ) M chẵn ï ỵ n=0 Đặc tính pha ì p - w ( M2-1 ) H r (w ) > Q(w ) = í 32 p M -1 ỵ - w ( ) H r (w ) < M -3 Tuyến tớnh Đ i xng hay phn i xng ? ê Tùy h(n) = –h(M–1–n) M lẻ Hr(0) = Hr(π) = DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE Khơng thích hợp cho lọc thông thấp thông cao 10 Thiết kế lọc FIR tuyến tính pha – Phương pháp cửa sổ § Giả sử ª Hd(ω): hàm đáp ứng tần số mong muốn H d (w ) = ª hd(n): hàm đáp ứng xung đơn vị mong muốn hd ( n ) = • hd(n) có chiều dài vơ hạn • Để chiều dài hd(n) hữu hạn, cắt hd(n) điểm n = M-1 § Nhân hd(n) với hàm cửa sổ w(n) § Cửa sổ hình chữ nhật § Đáp ứng xung mẫu lọc h(n) = hd ( n ) w( n ) ìhd ( n ) n = 0,1, , M - =ớ otherwise ợ0 2p Ơ å n=0 p H d (w )e jw n d w ò -p n = 0,1, , M - otherwise ì1 w(n ) = í ỵ0 H (w ) = h d ( n ) e - jw n p 2p òH d (v )W (w - v ) dv -p ª Với Hd(ω) cho trước, W(ω) có tác dụng làm trơn Hd(ω) ª Một W(ω) tốt • Có thuỳ phải rộng, cao nhiều so với thuỳ phụ • w(n) khơng nên giảm xuống hai bên cạnh DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE 11 Thiết kế lọc FIR tuyến tính pha – Phương pháp cửa sổ - jwM 1- e W (w ) = å e = - e - jw n =0 - jw ( M -1) / sin(wM / 2) =e sin(w / 2) M -1 - jwn W (w ) = M sin( w2 ) w sin( ) ì- w ( M2-1 ) Q(w ) = í p - w ( M2-1 ) ỵ -p £ w £ p M sin( w2 ) ³ M sin( w2 ) < Độ rộng thùy chính: 4π /M [được đo điểm zero W(ω)] Nhận xét: - Thuỳ hẹp M tăng - Các thuỳ phụ tương đối lớn so với thuỳ khơng thay đổi M tăng - Chiều cao thuỳ phụ tăng M tăng DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE 12 Thiết kế lọc FIR tuyến tính pha – PP lấy mẫu tần số § Hd(ω) định nghĩa M điểm tần số cách 2p M H d (w ) = (k + a ) M -1 k = ,1, K , M2-1 M leû k = ,1, K , M - wk = M chaün a = 0| hd ( n ) e - jw n å n=0 H d ( k + a ) º H d [ 2p ( k + a )] M M -1 α=0, cơng thức công thức DFT IDFT H d ( k + a ) = å hd ( n)e - j 2p ( k +a ) n / M k = 0,1, K , M - n=0 hd ( n) = M -1 M H d ( k + a )e j 2p ( k +a ) n / M å n = 0,1, K , M - k =0 * H d (k + a ) = H d ( M - k - a ) Chuỗi h(n) thực Chỉ cần định nghĩa Hd(ω) (M+1)/2 điểm M lẻ M/2 điểm M chẵn DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE 13 Thiết kế lọc FIR tuyến tính pha – PP lấy mẫu tần số § Mẫu tần số § Định nghĩa mẫu tần số thực G(k+m) H d (k + a ) = H r ( 2p (k + a ) )e j [bp / 2- 2p ( k +a )( M -1) / M ] M ì b = {h(n)} đối xứng Với í ỵ b = {h(n)} phản đối xứng G (k + a ) = (-1) k H r ( 2p (k + a ) ) M H d (k + a ) = G (k + a )e jkp e j [bp / - 2p ( k +a )( M -1) / M ] § Tùy theo giá trị α (0|½) β (0|1), H(k) h(n) có cơng thức đơn giản ª Ví dụ α = β = H ( k ) = G (k )e jpk / M p G (k ) = ( -1) k H r ( 2Mk ) G (k ) = -G ( M - k ) k = 0,1, K , M - U ì ü p h(n) = íG (0) + 2å G ( k ) cos 2Mk (n + ) ý Mợ k =1 ỵ M leỷ ỡ M2-1 vụựi U = íM ỵ - M chẵn DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE 14 Thiết kế lọc FIR tuyến tính pha – Phương pháp tối ưu § Bài tốn xấp xỉ Chebyshev ªTối ưu: sai số xấp xỉ đáp ứng t/s mong muốn thực tế phân bố passband stopband Þ tối thiểu hóa sai số cực đại ªBộ lọc có gợn sóng passband stopband DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE 15 Thiết kế lọc FIR tuyến tính pha – Phương pháp tối ưu § Trường hợp 1: đáp ứng xung đơn vị đối xứng M lẻ H r (w ) = h( M2-1 ) + ( M -3) / å h(n) cos w ( n =0 M -1 - n) k = (M-1)/2 – n H r (w ) = ( M -1) / å a(k ) cos wk k =0 ìh( M2-1 ) a (k ) = í M -1 î2 h ( - k ) DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE k =0 k = 1,2, K , M2-1 16 Thiết kế lọc FIR tuyến tính pha – Phương pháp tối ưu § Trường hợp 2: đáp ứng xung đơn vị đối xứng M chẵn H r (w ) = M / -1 å h(n) cos w ( n =0 M -1 - n) k = M/2 – n M/2 H r (w ) = å b(k ) cos w (k - ) k =1 M b( k ) = h( - k ) b ' ( ) = b (1) k = 1,2,K , M H r (w ) = cos w b ' ( k ) + b ' ( k - 1) = b ( k ) M / -1 å b' (k ) cos wk k =0 k = 1, 2, K , M - 2 b ' ( M - 1) = b ( M ) 2 DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE 17 Thiết kế lọc FIR tuyến tính pha – Phương pháp tối ưu § Trường hợp 3: đáp ứng xung đơn vị phản đối xứng M lẻ H r (w ) = ( M -3) / h(n) sin w ( M2-1 - n) å n =0 k = (M-1)/2 – n H r (w ) = ( M -1) / å c(k ) sin wk k =1 c(k ) = 2h( M2-1 - k ) k = 1,2, K , M2-1 c ' ( M2-3 ) = c ( M2-1 ) H r (w ) = sin w ( M -3) / å c' (k ) cos wk k =0 c ' ( M2-5 ) = 2c ( M2-3 ) M M M c ' ( k - 1) - c ' ( k + 1) = 2c ( k ) 2£k£ M -5 c ' (0) + c ' ( 2) = c (1) DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE 18 Thiết kế lọc FIR tuyến tính pha – Phương pháp tối ưu § Trường hợp 4: đáp ứng xung đơn vị phản đối xứng M chẵn M / -1 H r (w ) = å h(n) sin w ( M2-1 - n) n =0 k = M/2 – n M /2 H r (w ) = å d (k ) sin w (k - ) k =1 d ( k ) = 2h( M - k ) k = 1,2,K , M H r (w ) = sin w d ' ( M - 1) = 2d ( M ) 2 d ' (k - 1) - d ' (k ) = 2d (k ) 2£k £ M M / -1 å d ' (k ) cos wk k =0 -1 d ' (0) - d ' (1) = d (1) DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE 19 Thiết kế lọc FIR tuyến tính pha – Phương pháp tối ưu § Tổng qt ì1 ïcos w ï Q (w ) = í ïsin w ïsin w ỵ H r (w ) = Q(w ) P (w ) trường hợp trường hợp trường hợp trường hợp L P (w ) = å a (k ) cos wk k =0 DSP – Lecture 8, © 2007, Dr Dinh-Duc Anh-Vu – CSE ì( M - 1) / ïM / - ï L=í ï( M - 3) / ïM / - ỵ trường hợp1 trường hợp trường hợp trường hợp 20 ... =-¥ Tín hiu v H thng Đ H thng (h/t) êThit b vật lý, thiết bị sinh học, chương trình thực phép tốn tín hiệu nhằm biến đổi tín hiệu, rút trích thơng tin, … ªViệc thực phép tốn cịn gọi xử lý tín hiệu. .. : số mẫu (nguyên) A : biên độ ω = 2πf : tần số (radian/mẫu) f : tần số (chu kỳ/mẫu) θ : pha (rad) ª đặc trưng 1) 2) 3) f= x(n) tuần hồn ó f số hữu tỉ Các t/h có tần số ω cách bội 2π đồng Hệ số. .. t/h Tần số góc (rad/s) Tần số - chu kỳ/s – (Hz) Pha (rad) Chu kỳ (s) ª đặc trưng 1)Với F xác định, xa(t) tuần hoàn với chu kỳ: Tp= 1/F 2)Tần số khác hai tín hiệu khác 3)Khi F tăng hệ số dao dộng

Ngày đăng: 14/11/2014, 09:48

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan