Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52 I. Các khái niệm cơ bản: - Định nghĩa bộ lọc số: Bộ lọc số là một hệ thống dùng để làm biến dạng sự phân bố tần số của các thành phần của một tín hiệu theo các chỉ tiêu đã cho. Các mạch lọc số cho tín hiệu số có phổ nằm trong 1 dải tần số nhất định đi qua và không cho tín hiệu có phổ nằm ngoài dải tần số đó đi qua. - Định nghĩa việc lọc số: Các thao tác của sử lý dùng để để làm biến dạng sự phân bố tần số của các thành phần của một tín hiệu theo các chỉ tiêu đã cho nhờ một hệ thống số được gọi là việc lọc số - Dải tần số mà bộ lọc cho đi qua được gọi là dải thông. - Dải tần số mà bộ lọc không cho đi qua được gọi là dải chặn. II. Phân loại: - Dựa vào đáp ứng tần số, có thể chia bộ lọc ra làm các loại sau: + Bộ lọc thông thấp LPF (Low Pass Filter) + Bộ lọc thông cao HPF (High Pass Filter) + Bộ lọc thông dải BPF (Band Pass Filter) + Bộ lọc chận dải BSF (Band Stop Filter) - Dựa vào dạng của đặc tính xung, có thể chia bộ lọc ra làm các loại sau: + Bộ lọc số có đặc tính xung hữu hạn (bộ lọc số FIR) + Bộ lọc số có đặc tính xung vô hạn (bộ lọc số IIR) A. Bộ lọc lý tưởng: Việc thiết kế bộ lọc số thực tế đều đi từ lý thuyết các bộ lọc số lý tưởng, ta sẽ nghiên cứu các bộ lọc lý tưởng như sau: 1. Bộ lọc thông số thấp lý tưởng: - Định nghĩa: Bộ lọc thông số thấp lý tưởng có đặc tính biên độ tần số khi   0,    như sau: Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52 + Đáp ứng tần số: + Đáp ứng xung: 2. Bộ lọc thông số cao lý tưởng: - Định nghĩa: Bộ lọc thông số cao lý tưởng có đặc tính biên độ tần số khi   0,    như sau: + Đáp ứng tần số: + Đáp ứng xung: 3. Bộ lọc dải thông lý tưởng: - Định nghĩa: Bộ lọc dải thông lý tưởng có đặc tính biên độ tần số khi   0,    như sau: + Đáp ứng tần số: Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52 + Đáp ứng xung: 4. Bộ lọc dải chặn lý tưởng: - Định nghĩa: Bộ lọc dải chặn lý tưởng có đặc tính biên độ tần số khi   0,    như sau: + Đáp ứng tần số: + Đáp ứng xung: B. Bộ lọc thực tế: 1. Bộ lọc với đáp ứng xung hữu hạn (FIR) + Phương pháp cửa sổ. Từ đáp ứng tần số mong muốn H d (ω) với các chỉ tiêu tương ứng, ta lấy biến đổi Fourier ngược để có đáp ứng xung h d (n): Nói chung, h d (n) thu được sẽ có chiều dài vô hạn và không nhân quả, ta không thể thực hiện được trong thực tế. Vì vậy, hệ thống phải được sửa lại thành nhân quả và buộc hạn phải hạn chế chiều dài của h d (n). Phương pháp đơn giản là cắt bỏ h d (n) từ giá trị n = M-1 và thu được bộ lọc FIR có chiều dài M. Sự “cắt ngọn” này tương đương với phép nhân h d (n) với một hàm cửa sổ (window). Hàm cửa sổ này được định nghĩa như sau: Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52 Như vậy, đáp ứng xung của bộ lọc FIR trở thành: Gọi W(ω) là biến đổi Fourier của cửa sổ w(n), từ tính chất nhân của biến đổi Fourier, ta thu được đáp ứng tần số của bộ lọc như sau: + Phương pháp lấy mẫu tần số. Từ các phân tích vừa rồi, ta sẽ tổng kết thành các bước thiết kế bộ lọc FIR bằng cách lấy mẫu đáp ứng tần số. Bước 1: Chọn loại bộ lọc, chiều dài M của bộ lọc, tính chất đối xứng của h(n), tập tần số ω và chỉ định các mẫu của đáp ứng tần số tương ứng với tập tần số {ω k }. Bước 2: Tính các mẫu G(k) theo công thức tương ứng trong bảng 5.3 Bước 3: Tính đáp ứng xung h(n) theo công thức tương ứng trong bảng5.3 Bước 4: Tính đáp ứng tần số H(ω) theo các pt(5.54), (5.55), (5.56), (5.57) hoặc pt(5.59), (5.60), (5.61), (5.62), kiểm tra lại trong miền tần số bằng cách vẽ đặc tuyến đáp ứng biên độ và đáp ứng pha. Nếu chưa thỏa các chỉ tiêu kỹ thuật, thì chọn lại M hay tập tần số {(} hay các mẫu Hr((k) và trở lại từ bước 2. 5.3: Công thức tính đáp ứng xung h(n) Đối xứng: h(n)=h(M-1-n)  = 0 Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52  = 1/2 Phản đối xứng: h(n) = -h(M-1-n)  = 0 =1/2 Cuối cùng là khâu xây dựng cấu trúc và thi công bộ lọc. Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52 + Phương pháp lặp: Bước 1: Chọn loại bộ lọc lý tưởng và xác định đáp ứng biên độ |H dr (ω)|, sau đó chọn hàm trọng số W(ω) (dựa theo các chỉ tiêu kỹ thuật của bộ lọc thực tế), chọn chiều dài của bộ lọc số M, suy ra L theo pt(5.114). Bước 2: Chọn loại bộ lọc theo các trường hợp trong bảng 5.4 và xác định bài toán gần đúng . Bước 3: Sử dụng thuật toán Remez để giải bài toán gần đúng này. Cụ thể như sau: - Chọn ra tập hợp L+2 điểm tần số rời rạc ban đầu, trong dải tần số [0,π]. - Tính δ: Ta có thể tính δ bằng phương trình ma trận (5.130), tuy nhiên theo cách này ta phải tính ma trận nghịch đảo, việc tính ma trận nghịch đảo làm hao phí thời gian và không hiệu quả. Vì vậy, từ pt(5.130), Rabiner, McClellan,… và Parks (1975) đã đề ra công thức tính δ có hiệu quả hơn, như sau: - Xác định P(ω) từ δ : Vì P(ω) là một đa thức lượng giác có dạng: Ngoài ra, từ pt(5.128) ta có: Ta có thể dùng công thức nội suy Lagrange để tính P(ω), đó là: Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52 - Xác định được hàm lỗi E(ω) bởi công thức sau: trên một tập dày đặc các điểm tần số. Thông thường, số điểm tần số để tính E(ω)là 16M, với M là chiều dài của bộ lọc. Nếu | E(ω)|>δ ở một hay nhiều tần số trên |ω n | thì một tập (L+2) tần số cực trị mới được chọn và tiến trình được lặp lại từ pt(5.131). Vì tập tần số cực trị mới được chọn tương ứng với các đỉnh của hàm sai số | E(ω)|, nên theo thuật toán này, giá trị của δ tăng lên sau mỗi lần lặp cho tới khi nó hội tụ đến một giới hạn trên, và đạt được lời giải tối ưu cho bài toán xấp xỉ Chebyshev. Khi, |E(ω)|≤δ với tất cả các tần số trong tập các điểm tần số, thì lời giải tối ưu đã tìm được. Bước 4: Xác định đáp ứng xung h(n) của bộ lọc thực tế. Ta có thể thực hiện bằng 2 cách: - Từ P(ω) (theo lời giải tối ưu), ta sẽ lấy mẫu P(ω) theo M điểm, sau đó xác định các hệ số α(n) và dùng IDFT để tính h(n). - Từ P(ω) (theo lời giải tối ưu), ta sẽ tính trực tiếp h(n) mà không cần tính qua bước trung gian là α(n), bởi vì ta đã có: H r (ω)=Q(ω)P(ω) tại các tần số ω = 2πk/M, k = 0,1,. . .,(M-1)/2 cho M lẻ hay k = 0,1,. . .,M/2 cho M chẳn. Sau đó h(n) có thể được xác định bằng cách công thức trong bảng 5.3, tùy theo loại mạch lọc được thiết kế. Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52 2. Bộ lọc với đáp ứng xung vô hạn (IIR): Bộ lọc với đáp ứng xung vô hạn được tổng hợp từ bộ lọc tương tự bằng các phương pháp sau: + Phương pháp tương đương vi phân. Một trong những phương pháp đơn giản nhất để chuyển đổi một bộ lọc tương tự sang bộ lọc số là xấp xỉ phương trình vi phânĠ bằng một phương trình sai phân. Phương pháp này giống như cách giải phương trình vi phân tuyến tính hệ số hằng bằng phương pháp số trên máy tính. Đạo hàm dy(t)/dt tại t=nTS , với TS là chu kỳ lấy mẫu, được thay bằng sai phân lùi [y(nTS)-y(nTS-TS)]/TS . Tức là : Hệ thống vi phân tương tự với đáp ứng dy(t)/dt có hàm truyền đạt là H(s)=s, tương đương trong miền số la một hệ thống số với đáp ứng [y(n)-y(n-1)]/T sẽ có hàm truyền đạt là (Hình 5.28). Kết quả, ta thu được sự tương đương trong miền tần số của quan hệ (5.143) là : Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52 Đạo hàm bậc hai được thay bằng sai phân bậc hai : Trong miền tần số, pt(5.145) tương đương với : Từ đây có thể rút ra mối quan hệ tương trong miền tần số khi thay thế đạo hàm bậc k bằng sai phân bậc k như sau : Kết quả là hàm truyền đạt của bộ lọc số IIR có được từ phép xấp xỉ đạo hàm bằng sai phân, đó là : trong đó là hàm truyền đạt của bộ lọc tương tự được đặc trưng bởi phương trình vi phân (5.142). Ta hãy xem ý nghĩa của phép ánh xạ từ mặt phẳng s sang mặt phẳng z theo pt(5.144), ta viết lại: Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52 Khi thay đổi từ thì quĩ tích tương ứng của các điểm trong mặt phẳng z là một vòng tròn có bán kính 1/2 và tâm đặt tại điểm z=1/2, xem hình 5.29. Đễ dàng chứng tỏ rằng phép ánh xạĠbiến các điểm trong nửa trái trên mặt phẳng s thành các điểm tương ứng bên trong vòng tròn có bán kính 1/2 và tâm (1/2,0) trong mặt phẳng z và các điểm ở nửa phải của mặt phẳng s sẽ chuyển thành các điểm tương ứng ử ng ở bên ngoài vòng tròn này, trong mặt phẳng z. Điều này có nghĩa là một bộ lọc tương tự ổn định sẽ được chuyển đổi thành một bộ lọc số ổn định. Tuy nhiên, vị trí có thể có của các cực của bộ lọc số bị giới hạn trong các dải tần số khá nhỏ. Vì vậy, phép ánh xạ cũng bị giới hạn trong phạm vi thiết kế các bộ lọc hạ thông và các bộ lọc dải thông có tần số cộng hưởng tương đối nhỏ. Vì vậy, phép ánh xạ này chỉ có thể dùng để thiết kế các bộ lọc thông thấp và thông dải có tần số cộng hưởng khá nhỏ. Nó không có khả năng chuyển đổi từ bộ lọc thông cao tương tự thành bộ lọc thông cao số. + Phương pháp bất biến xung. Phương pháp này xuất phát từ cách biểu diễn một hệ thống bằng ng xung. Theo đó, một bộ số IIR có đáp ứng xung h(n) thu được bằng cách lấy mẫu đáp ứng xung ha(t) của bộ lọc tương tự. Ta có : trong đó T s là chu kỳ lấy mẫu. [...]... o lng v x lý tớn hiu Cỏc phng phỏp lc s Nh vy, phộp ỏnh x t mt phng s sang mt phng z l : Phộp ỏnh x ny c gi l phộp bin i song tuyn Mc dự ta rỳt ra phộp bin i song tuyn t phng trỡnh vi phõn bc nht, nhng iu ny cng ỳng i vi phng trỡnh vi phõn bc N tỡm hiu nhng tớnh cht ca phộp bin i song tuyn, ta t : Pt(5.175) cú th c vit li nh sau : Khng Hu Ngc - 20072101 C in t 3 - K52 Cm bin o lng v x lý tớn hiu... hm cha trong quỏ trỡnh ly mu, ta da vo s tng quỏt húa pt(5.155) bng cỏch liờn kt bin i z ca h(n) vi bin i Laplace ca S liờn kt c thc hin nh sau: Khng Hu Ngc - 20072101 C in t 3 - K52 Cm bin o lng v x lý tớn hiu Cỏc phng phỏp lc s Khi , pt(5.156) c rỳt gn thnh pt(5.155) (tha s j trongc b i trong ký hiu) Tớnh cht tng quỏt ca phộp ỏnh x: cú th cú c bng cỏch thay v biu din bin phc z di dng cc Rừ rng ,... x nhiu_vo_mt (many-to- one), iu ny th hin nh hng ca hin tng bit d /Anh do quỏ trỡnh ly mu Hỡnh 5.31 minh ha phộp ỏnh x t mt phng s sang mt phng z Khng Hu Ngc - 20072101 C in t 3 - K52 Cm bin o lng v x lý tớn hiu Cỏc phng phỏp lc s tỡm hiu sõu hn na tỏc dng ca phng phỏp bt bin xung lờn cỏc c tớnh ca b lc s IIR, ta hóy biu din hm h thng ca b lc tng t di dng tng cỏc phõn thc Vi gi thit l cỏc cc ca b lc... ca b lc tng t vl cỏc h s trong khai trin phõn thc Kt qu l : Nu ta ly mu mt cỏch tun hon ti cỏc thi imta s c : v hm h thng ca b lc s IIR s cú dng : Khng Hu Ngc - 20072101 C in t 3 - K52 Cm bin o lng v x lý tớn hiu Cỏc phng phỏp lc s Vi hm h thng nh pt(5.166), b lc s IIR d dng c thc hin bng mt di ghộp song song ca cỏc b lc n cc Nu mt s cc l cỏc giỏ tr phc, chỳng cú th c ghộp thnh tng cp vi nhau to thnh... pt(5.166) t khai trin phõn thc c Ta cú: Do hai cc l liờn hp phc, nờn ta cú th kt hp chỳng li vi nhau to thnh mt b lc cú hai cc n gin cú hm truyn t l: Khng Hu Ngc - 20072101 C in t 3 - K52 Cm bin o lng v x lý tớn hiu Cỏc phng phỏp lc s cú s so sỏnh, ta v thờm ỏp ng biờn ca b lc tng t trong hỡnh 5.32.b T th ny, ta thy s nh hng hin tng bit d /Anh (ỏp ng tn s b bin i) khi = 0.5 õaùng kóứ hồn khi = 0.,v khi... liờn quan vi vic tớnh tớch phõn bng phng phỏp s theo qui tc hỡnh thang Vớ d, ta xột mt b lc tng t tuyn tớnh cú hm truyn t l: H(s)=b/(s+a) Khng Hu Ngc - 20072101 (5.168) C in t 3 - K52 Cm bin o lng v x lý tớn hiu Cỏc phng phỏp lc s H thng ny cng cú th dc trng bng phng trỡnh vi phõn : Thay vỡ thay th o hm bng mt sai phõn hu hn, ta hóy th ly tớch phõn ca o hm v tớnh xp x tớch phõn theo qui tc hỡnh thang...Cm bin o lng v x lý tớn hiu Cỏc phng phỏp lc s T mc 3.5, chng 3, ta ó bit rng khi mt tớn hiu liờn tc trong min thi gian (tớn hiu tng t cú ph c ly mu vi tc = 1/T(samples/second) thỡ ph ca tớn hiu ly mu l s lp li tun hon... phộp bin i song tuyn s ỏnh x im thnh im z = -1 Vỡ vy, b lc thụng thp n cc H(s) =b/(s+a) cú mt zero ti ims= , s a n mt b lc s cú mt zero ti z = -1 Khng Hu Ngc - 20072101 C in t 3 - K52 Cm bin o lng v x lý tớn hiu Cỏc phng phỏp lc s + Phng phỏp bin i Z thớch ng Mt phng phỏp khỏc chuyn i mt b lc tng t thnh mt b lc s tng ng l ỏnh x trc tip cỏc cc v zero ca H(s) thnh cỏc cc v zero trong mt phng z Gi s hm . trúc và thi công bộ lọc. Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52 + Phương pháp lặp: Bước 1: Chọn loại bộ lọc lý tưởng và. Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52 I. Các khái niệm cơ bản: - Định nghĩa bộ lọc số: Bộ lọc số là một hệ. z. Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu Các phương pháp lọc số Khổng Hữu Ngọc - 20072101 Cơ điện tử 3 - K52 Để tìm hiểu sâu hơn nữa tác dụng của phương pháp bất biến xung lên các đặc tính